Wat zijn de soorten, eigenschappen en gebreken van gegoten titaniumlegeringen?

Gegoten titaniumlegeringen worden op basis van hun gegloeide microstructuur ingedeeld in α-, α+β- en β-types. Tot hun nuttige eigenschappen behoren een lage dichtheid, een hoge specifieke sterkte en corrosiebestendigheid, terwijl het gietgedrag wordt bepaald door de vloeibaarheid van de smelt, de krimp bij stolling en de reactiviteit. In deze gids worden de materiaalgroepen, de samenstelling en de mechanische eigenschappen van de genoemde kwaliteiten met elkaar vergeleken, evenals veelvoorkomende gietfouten.

Eigenschappen van gegoten titaniumlegeringen

Titanium combineert een lage dichtheid, hoge sterkte, goede taaiheid, niet-magnetische eigenschappen, een hoog smeltpunt, een lage thermische uitzettingscoëfficiënt en een sterke weerstand tegen corrosie en biologische aantasting. Gegoten titaniumlegeringen hebben over het algemeen de volgende tien kenmerken.

1. Lage dichtheid, hoge sterkte en hoge specifieke sterkte

Titanium heeft een dichtheid van 4,51 g/cm³, ongeveer 57% van staal. Het is minder dan twee keer zo zwaar als aluminium, maar kan ongeveer drie keer zo sterk zijn. In de hier gepresenteerde vergelijking hebben titaniumlegeringen een specifieke sterkte die ongeveer 3,5 keer zo groot is als die van roestvrij staal, 1,3 keer zo groot als die van aluminiumlegeringen en 1,7 keer zo groot als die van magnesiumlegeringen. Dit maakt ze tot belangrijke constructiematerialen voor toepassingen in de lucht- en ruimtevaart.

2. Uitstekende corrosiebestendigheid

De passiviteit van titanium hangt af van de oxidefilm. De corrosiebestendigheid is veel beter in oxiderende media dan in reducerende media, waar snelle corrosie kan optreden. Titanium is bestand tegen aantasting in media zoals zeewater, nat chloor, chloriet- en hypochlorietoplossingen, salpeterzuur, chroomzuur, metaalchloriden, sulfiden en organische zuren.

3. Goede hittebestendigheid

Aluminium verliest doorgaans zijn oorspronkelijke prestaties bij ongeveer 150 °C en roestvrij staal bij ongeveer 310 °C, terwijl titaniumlegeringen hun bruikbare mechanische eigenschappen tot bijna 500 °C kunnen behouden. Bij een snelheid van ongeveer Mach 2,7 kan het oppervlak van een vliegtuig een temperatuur van 230 °C bereiken, waarbij aluminium- en magnesiumlegeringen ongeschikt kunnen worden. Titaniumlegeringen worden gebruikt in compressorschijven en -schoepen van vliegtuigmotoren en in de bekleding van de achterste romp.

4. Goede prestaties bij lage temperaturen

Bij sommige titaniumlegeringen, zoals Ti-5Al-2,5Sn ELI, neemt de sterkte toe naarmate de temperatuur daalt, terwijl de ductiliteit slechts in beperkte mate afneemt. Dankzij hun ductiliteit en taaiheid bij lage temperaturen zijn deze legeringen geschikt voor gebruik in raketmotoren op vloeibare waterstof en vloeibare zuurstof, en in cryogene vaten en tanks voor bemande ruimtevaartuigen.

5. Niet-magnetisch gedrag

Titanium is niet-magnetisch. Bij toepassing in de romp van onderzeeërs activeert het geen magnetische mijnen.

6. Lage warmtegeleiding

De warmtegeleidbaarheid van titanium bedraagt ongeveer een vijfde van die van staal, een dertiende van die van aluminium en een vijfentwintigste van die van koper. De slechte warmtegeleiding vormt bij sommige toepassingen een nadeel.

7. Lage elasticiteitsmodulus

Titanium heeft een elasticiteitsmodulus die ongeveer 55% bedraagt ten opzichte van die van staal. Voor constructietoepassingen kan deze relatief lage elasticiteitsmodulus een nadeel zijn.

8. De treksterkte en de vloeigrens liggen dicht bij elkaar

In het genoemde voorbeeld van Ti-6Al-4V bedraagt de treksterkte 960 MPa en de vloeigrens 892 MPa, een verschil van slechts 68 MPa.

9. Titanium oxideert gemakkelijk bij hoge temperaturen

Titanium heeft een sterke affiniteit met waterstof en zuurstof, waardoor oxidatie en waterstofopname moeten worden beperkt. Bij het lassen is argonbescherming vereist. Titaniumbuizen en -platen worden onder vacuüm warmtebehandeld, terwijl bij titanium smeedstukken een zorgvuldige regeling van een licht oxiderende ovenatmosfeer vereist is.

10. Lage dempingscapaciteit

Als klokken met dezelfde vorm en afmetingen worden vervaardigd uit titanium, koper en staal en met dezelfde kracht worden aangeslagen, klinkt de titaniumklok langer na. De botsingsenergie wordt langzaam afgevoerd, wat wijst op een laag dempingsvermogen.

Classificatie van gegoten titaniumlegeringen

De 12 hieronder weergegeven titaniumgietkwaliteiten zijn ingedeeld op basis van hun gegloeide microstructuur. De aanduiding ZT verwijst in het Chinese aanduidingssysteem naar gegoten titanium. De genoemde Chinese nationale normen zijn GB/T 6614-2014, Gietstukken van titanium en titaniumlegeringen, en GB/T 15073-2014, Gietstukken van titanium en titaniumlegeringen.

Chemische samenstelling van gegoten titanium en titaniumlegeringen

De onderstaande samenstellingstabel is ontleend aan GB/T 6614-2014; de daarin vermelde grenswaarden gelden voor de hier weergegeven gietkwaliteiten en -omstandigheden.

Opmerkingen: Andere elementen zijn sporenelementen die van nature aanwezig zijn bij de productie van titaniumgietstukken; hiertoe behoren doorgaans Al, V, Sn, Mo, Cr, Mn, Zr, Ni, Cu, Si, Nb en Y, met uitzondering van de opzettelijk toegevoegde legeringselementen in de legeringskwaliteit. De individuele en totale grenswaarden voor andere elementen worden alleen geanalyseerd indien de afnemer hierom verzoekt.

Mechanische eigenschappen van gegoten titanium en titaniumlegeringen

De onderstaande tabel met samenstelling en mechanische eigenschappen is ontleend aan GB/T 15073-2014; de waarden daarin worden niet gepresenteerd als algemene grenswaarden voor alle gegoten titaniumproducten.

1. α-titaniumlegeringen. De gegloeide structuur bestaat volledig uit de α-fase. Deze legeringen hebben een goede structurele stabiliteit bij hoge temperaturen en vormen de basis voor hittebestendige titaniumlegeringen, hoewel de sterkte bij kamertemperatuur niet hoog is. Commercieel zuiver titanium is eveneens een α-materiaal.
2. α+β-titaniumlegeringen. De gegloeide structuur bestaat uit α- en β-fasen. Deze legeringen kunnen door middel van een warmtebehandeling worden versterkt en hebben een relatief hoge sterkte en een goede hittebestendigheid bij 400-450 °C. Bij hogere temperaturen zijn de structurele stabiliteit en de lasbaarheid minder goed dan bij α-legeringen.
3. β-titaniumlegeringen. De gegloeide structuur bestaat uit de β-fase. Door afschrikken en ontlaten kunnen uitstekende mechanische eigenschappen worden verkregen.

α-titaniumlegeringen uit gietwerk

Gietstukken van commercieel zuiver titanium

Tot de gietstukken van commercieel zuiver titanium behoren ZTA1 (Chinese gietkwaliteit voor commercieel zuiver titanium), ZTA2 (Chinese gietkwaliteit voor commercieel zuiver titanium) en ZTA3 (Chinese gietkwaliteit voor commercieel zuiver titanium). De eerste van deze kwaliteiten heeft het laagste gehalte aan onzuiverheden en daardoor een hogere ductiliteit, maar een lagere sterkte. De derde bevat meer onzuiverheden en heeft daardoor een hogere sterkte, maar een lagere ductiliteit. De structuur in gegoten toestand bestaat volledig uit de α-fase met grove Widmanstätten-korrels; door gloeien ontstaat een equiaxiale structuur.

Het gietgedrag lijkt op dat van een zuiver metaal. De vloeibaarheid is goed, de verspreide krimp is beperkt, er kunnen geconcentreerde krimpholtes ontstaan en het risico op warmscheuren is klein. Gietstukken van CP-titanium hebben een matige sterkte, een goede ductiliteit en een goede gietbaarheid, corrosiebestendigheid en lasbaarheid. Ze kunnen gedurende langere tijd bij 300 °C worden gebruikt.

Ti-5Al-2.5Sn: een gegoten titaniumlegering

De Ti-5Al-2,5Sn-titaniumlegering voor gietwerk is een middelharde, eenfasige α-legering die 5% aluminium als α-stabilisator en 2,5% tin als neutraal element bevat. De legering heeft een goede sterkte bij hoge temperaturen en is goed lasbaar. De legering kan niet worden versterkt door warmtebehandeling en wordt doorgaans in gegloeide toestand gebruikt. De verwerkingsductiliteit is relatief laag, waardoor het vervormen van platen verwarming vereist.

Toepassingen zijn onder meer behuizingen en panelen. De opgegeven bedrijfstemperaturen voor deze legering bedragen tot 500 °C bij langdurig gebruik en tot 800 °C bij kortstondig gebruik.

Ti-0.2Pd Gegoten titanium

Ti-0,2Pd-giettitanium is een corrosiebestendig α-materiaal dat wordt vervaardigd door een kleine hoeveelheid palladium toe te voegen aan commercieel zuiver titanium. Palladium verbetert de corrosiebestendigheid zowel in reducerende als in oxiderende media. In hete, geconcentreerde chloridehoudende media wordt dit gietmateriaal gekenmerkt door een bijzonder hoge weerstand tegen spleetcorrosie.

Ti-0,2Pd-giettitanium heeft vergelijkbare toepassingen als CP-titaniumgietstukken, maar is duurder vanwege de toevoeging van palladium; het wordt daarom gekozen wanneer commercieel zuiver titanium niet aan de gebruikseisen kan voldoen. Toepassingen zijn onder meer omgevingen met verdund zoutzuur, zwavelzuur en fosforzuur; tegen spleetcorrosie bestendige titaniumapparatuur; shell-and-tube-warmtewisselaars; textielspinneretten; flensvoeringen in acetaldehydefabrieken; en flenzen, verbindingen en andere onderdelen met spleten.

Ti-0.3Mo-0.8Ni: een gegoten titaniumlegering

De Ti-0,3Mo-0,8Ni-titaniumgietlegering is een bijna-α corrosiebestendige legering die is ontwikkeld om de weerstand tegen spleetcorrosie van zuiver titanium te verbeteren. Het gehalte van 0,3% Mo en 0,8% Ni versterkt de legering en verbetert de weerstand tegen hete, chloridehoudende media met een lage pH-waarde en licht reducerende zuren. De gerapporteerde corrosiebestendigheid is aanzienlijk beter dan die van zuiver titanium en ligt dicht bij die van Ti-0,2Pd-giettitanium. De legering heeft bovendien een goede verwerkbaarheid en lasbaarheid en wordt op grote schaal gebruikt in de chemische industrie.

Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V gegoten titaniumlegering

De opgegeven samenstelling voor deze bijna-α-legering met een hoog aluminiumgehalte is 6,58% Al en 1,46% Mo. Deze legering combineert de sterkte bij hoge temperaturen en de lasbaarheid van α-legeringen met een verwerkingsductiliteit die die van α+β-legeringen benadert. De gerapporteerde langdurige bedrijfstemperatuur bedraagt 500 °C gedurende 3.000 uur, met een kortstondige blootstelling aan temperaturen tot 800 °C gedurende maximaal 5 minuten. Bij 450 °C bedraagt de gerapporteerde levensduur 6.000 uur.

Toepassingen zijn onder meer constructieve en gelaste dragende onderdelen die bij temperaturen onder 500 °C worden gebruikt, motorbladen en -behuizingen, plaatwerkonderdelen voor vliegtuigen, balken, verbindingen, grote panelen, gelaste dragende frames, andere gelaste constructies en gietstukken.

Ti-4Al-2V gegoten titaniumlegering

De gegoten titaniumlegering Ti-4Al-2V heeft goede mechanische eigenschappen bij kamertemperatuur en bij hoge temperaturen, is bestand tegen vermoeidheid, scheurgroei en schokken, en is corrosiebestendig in diverse media. De legering is lasbaar en kan zowel warm als koud worden vervormd.

Toepassingen zijn onder meer drukvaten voor raketten en behuizingen van raketmotoren; schijven, schoepen, afstandhouders, afschermingen, buitenhuiden, ribben, verbindingsribben, vleugels, balken, horizontale stabilisatoren, rotornaven, landingsgestellen, steunbalken en wielnaven voor vliegtuigen; drijfvleugels voor schepen, voortstuwingsapparatuur en munitie; en schoepen voor stoomturbines, schijven voor axiale en radiale compressoren, corrosiebestendige veren en drijfstangen voor verbrandingsmotoren.

α+β-titaniumlegeringen

Ti-6Al-4V gegoten titaniumlegering

De gegoten titaniumlegering Ti-6Al-4V wordt beschouwd als een van de oudste en meest gebruikte titaniumlegeringen. Aluminium versterkt de α-fase door middel van een vaste oplossing en verbetert de sterkte bij kamertemperatuur en bij hoge temperaturen. Vanadium verhoogt de sterkte en verbetert de ductiliteit. Het remt tevens de vorming van de α-fase₂ geordende fase, waardoor het risico op verspraging op lange termijn wordt verminderd.

De legering combineert brede mechanische eigenschappen met goede verwerkingseigenschappen en superplastische vervormbaarheid. Ze kan met verschillende drukbewerkingsmethoden worden gevormd en met diverse processen worden gelast. Gangbare halffabricaten zijn onder meer staven, smeedstukken, dunne en dikke platen, profielen en draad. De legering wordt voornamelijk in gegloeide toestand gebruikt, maar kan ook een oplossingsbehandeling ondergaan en worden verouderd.

Toepassingen in de lucht- en ruimtevaart zijn onder meer balken, frames, rails, landingsgestelbalken, schijven en schoepen voor ventilatoren en compressoren, raketbehuizingen, drukvaten en bevestigingsmiddelen. Door 30CrMnSiA-constructiestaal te vervangen kan het gewicht van onderdelen met ongeveer 30% worden verminderd. Toepassingen in de civiele sector zijn onder meer gasturbineschoepen, scheepsschroeven, offshore-boorplatforms, corrosiebestendige pompen, medische implantaten en sportartikelen. Niet-gegoten Ti-6Al-4V wordt ook gebruikt voor autoframes, krukassen, drijfstangen, bouten, inlaatkleppen en ophangingsveren.

Ti-6Al-4.5Sn-2Nb-1.5Mo: een gegoten titaniumlegering

Deze legering combineert een hoge sterkte, hoge taaiheid, schadetolerantie en lasbaarheid en kan gedurende langere tijd bij temperaturen onder 500 °C worden gebruikt. De beschreven toepassingen omvatten constructieonderdelen voor de lucht- en ruimtevaart en civiele toepassingen; staven, smeedstukken en dikke platen worden ook genoemd als belangrijke halffabricaten. Deze gevormde productvormen onderscheiden zich van het in dit hoofdstuk besproken gietmateriaal.

β-titaniumlegeringen

De Ti-32Mo Beta-titaniumlegering biedt een zeer hoge corrosiebestendigheid en kan met verschillende methoden worden gelast, maar wordt niet beschreven als warmtebehandelbaar ter versterking. Het hoge molybdeengehalte bemoeilijkt het smelten en verhoogt de dichtheid tot 5,69 g/cm³, verlaagt de elasticiteitsmodulus en veroorzaakt ernstige oxidatie bij verhitting in lucht tot boven 500 °C. Het wordt daarom voornamelijk gebruikt voor gegoten pompen, kleppen en soortgelijke onderdelen die worden blootgesteld aan sterke zuren.

Gietgedrag en veelvoorkomende gebreken

Legeringselementen verbreden doorgaans het stollingstemperatuurbereik en verminderen de vloeibaarheid. Een hoger aluminiumgehalte verhoogt echter de kristallisatiewarmte en kan de vloeibaarheid verbeteren. Door 10% Al toe te voegen op basis van massa stijgt de kristallisatiewarmte van 327 J/g naar 435 J/g. De Ti-32Mo bèta-titaniumgietlegering bevat 31%-35% Mo, heeft een breed stollingsinterval en een slechte vloeibaarheid, en is ongeschikt voor dunwandige gietstukken.

Geconcentreerde krimpholtes nemen in commercieel zuiver titanium ongeveer 1% van het volume in. Bij een gehalte aan legeringselementen van 10% per massa bedraagt de volumebroken van de geconcentreerde krimp ongeveer 0,5%-1,5%. In legeringen met een breed stollingsbereik kunnen krimpholtes die tijdens de stolling ontstaan, worden opgevuld door gas uit de resterende vloeistof, waardoor gaskrimpholtes ontstaan. Gietstukken van titaniumlegeringen hebben een sterke neiging om dit defect te vertonen. Ook de verspreide krimpporositeit neemt toe naarmate het stollingsbereik groter wordt.

Commercieel zuiver titanium heeft een lineaire krimp van 1,0%-1,1%. De krimp van titaniumlegeringen neemt toe naarmate het aluminiumgehalte stijgt. De lage elasticiteitsmodulus en thermische uitzettingscoëfficiënt, in combinatie met een relatief hoge sterkte bij verhoogde temperatuur, geven titaniumlegeringen een goede weerstand tegen heetscheuren. Koude scheuren aan het oppervlak houden verband met reacties tussen gesmolten titanium en de gietvorm tijdens het gieten of met reacties met gasvormige onzuiverheden aan het gietoppervlak en in spleten, waardoor een broze, met zuurstof verrijkte α-laag ontstaat. In deze broze oppervlaktelaag ontstaan gemakkelijk koude scheuren.