Beta-titaniumlegeringen: warmtebehandeling, structuur en eigenschappen

Beta-titaniumlegeringen bevatten voldoende bèta-stabiliserende elementen om bij kamertemperatuur een aanzienlijke hoeveelheid bèta-fase te behouden. Ze bieden een lage vloeispanning, een hoge hardbaarheid, koudvervormbaarheid en een sterke reactie op oplossingsbehandeling en veroudering. Hun dichtheid en legeringskosten kunnen hoger zijn dan bij alfa-bèta-legeringen, en stabiele-bèta-legeringen kunnen sterkte inruilen voor ductiliteit.

Bètastabiliteit en vervorming

Metastabiele bèta-legeringen kunnen tijdens vervorming en warmtebehandeling transformeren of neerslaan. Afhankelijk van de stabiliteit kunnen spanning of afkoeling leiden tot de vorming van alfa-prime-, alfa-dubbelprime- of omega-gerelateerde producten. Een toename van de bèta-stabiliteit verandert het actieve vervormingsmechanisme en de trek-spannings-rek-respons.

Beta-gloeien

Door gloeien boven de bèta-transus ontstaan equiaxiale korrels die eerder in de bèta-fase lagen. De korrelgrootte hangt af van de temperatuur, de tijd en de voorgaande bewerking, en grove korrels kunnen de ductiliteit en de vermoeidheidsweerstand aantasten, zelfs als de breuktaaiheid is verbeterd.

Alfa-bèta-annealing

Door gloeien onder de bèta-transus kan het primaire alfa-fase behouden blijven en kan de bèta-fase herkristalliseren, waardoor de structuur verfijnd wordt en een evenwicht ontstaat tussen sterkte, ductiliteit en breukgedrag.

Oplossingsbehandeling en veroudering

Met een oplossing behandeld bèta-metaal is relatief zacht en vervormbaar. Door veroudering ontstaan fijne alfa-precipitaten in het bèta-metaal, wat de belangrijkste versterkende reactie teweegbrengt. Bij veroudering in één stap wordt één temperatuur-tijdverloop gekozen; lagere temperaturen verhogen doorgaans de nucleatiedichtheid en verfijnen de precipitaten, terwijl hogere temperaturen de groei en de grofwering versnellen.

Door veroudering in twee stappen kan een alfa-verdeling met twee schalen ontstaan. In een stap bij lage temperatuur worden fijne kernen of voorlopers gevormd, en in een stap bij hogere temperatuur ontstaat een stabielere alfa-verdeling. De volgorde en de verwarmingssnelheid moeten nauwkeurig worden geregeld, omdat deze van invloed zijn op de kernvorming, de zones zonder neerslag en de uiteindelijke plaatgrootte.

Belangrijke variabelen met betrekking tot veroudering

• Verouderingstemperatuur: beïnvloedt de alfa-nucleatie, de groei, de volumefractie en de onderlinge afstand.
• Wachttijd: verhoogt de sterkte, maar kan op den duur de alfa-fase grover maken en de vervormbaarheid verminderen.
• Verwarmingssnelheid: beïnvloedt de tussenliggende transformaties en het aantal alfa-kernvormingsplaatsen.
• Eerdere vervorming: leidt tot defecten en grenzen die heterogene nucleatie bevorderen.
• Beta-korrelgrootte en samenstelling: de neerslagkinetiek en de uiteindelijke uniformiteit van de eigenschappen bepalen.

De optimale behandeling zorgt voor een evenwicht tussen de vloeigrens, de trekductiliteit, de breuktaaiheid, de vermoeidheidsweerstand en de maatvastheid. Bij een aankoop- of certificeringsbeslissing moet nog steeds worden uitgegaan van de geldende legerings- en productspecificaties, en niet van een algemene beschrijving van de microstructuur.