Hoe beïnvloeden legeringselementen de eigenschappen van titaniumlegeringen?

Titanium kent twee allotropische vormen: het dicht opeengepakte hexagonale alfa-titanium is stabiel bij temperaturen onder 882 °C, terwijl het kubisch ruimtecentrische bèta-titanium stabiel is bij temperaturen boven 882 °C. Titanium heeft een dichtheid van 4,51 g/cm³, behoudt een hoge specifieke sterkte tot ongeveer 550–600 °C, is corrosiebestendig dankzij stabiele oxide- en nitridefilms en behoudt bruikbare sterkte, ductiliteit en taaiheid bij de temperatuur van vloeibare stikstof. De thermische geleidbaarheid bedraagt ongeveer een kwart van die van ijzer, en de elasticiteitsmodulus is ongeveer 54% van die van ijzer.

Het doel van het legeren van titanium

Door legering worden de samenstelling, stabiliteit en eigenschappen van de alfa- en bètafasen beïnvloed. Elementen met een elektronenconcentratie lager dan 4 hebben de neiging om de alfa-fase te stabiliseren, elementen met een concentratie hoger dan 4 stabiliseren de bèta-fase, en elementen met een concentratie rond 4 kunnen beide fasen stabiliseren. Belangrijke toevoegingen zijn onder meer Al, Sn, Zr, V, Mo, Mn, Fe, Cr, Cu en Si.

• Alfa-stabilisatoren, zoals Al, verhogen de transformatietemperatuur en vergroten het alfa-veld.
• Bètastabilisatoren, zoals Mo, verlagen de transformatietemperatuur en vergroten het bèta-veld.
• Neutrale elementen hebben weinig invloed op de transformatietemperatuur en lossen in beide fasen vrijwel volledig op.

Vier typische soorten binaire stelsels

1. Peritectoïde en verbindingsvormende systemen: Ti-Al, Ti-Sn, Ti-Ga, Ti-B, Ti-C, Ti-N en Ti-O. De brede alfa-vastestofoplossingsgebieden van Ti-Al, Ti-Sn en Ti-Ga zijn van belang voor hittebestendige legeringen.
2. Continue bèta- en beperkte alfa-oplosbaarheid: Ti-V, Ti-Nb, Ti-Ta en Ti-Mo. Deze elementen met een kubisch-ruimtevullende structuur zorgen voor stabilisatie van de bèta-fase. Bij een kritische concentratie kan door snelle afkoeling de bèta-fase volledig behouden blijven tot kamertemperatuur.
3. Eutektoïde systemen: Ti-Cr, Ti-Mn, Ti-Fe, Ti-Co, Ti-Ni, Ti-Cu, Ti-Si, Ti-Bi en Ti-W. Cu, Si en H zijn actieve stabilisatoren van de eutektoïde bèta-fase en kunnen voor verouderingsverharding zorgen; Fe, Mn en Cr transformeren langzaam genoeg zodat alfa-bèta-structuren na gewone afkoeling kunnen blijven bestaan.
4. Continue alfa- en bèta-vaste oplossingen: Ti-Zr en Ti-Hf. Zr versterkt alfa en wordt op grote schaal gebruikt; Hf is zwaar, schaars en minder praktisch.

Een effectief legeringsontwerp houdt daarom in dat er elementen en toevoegingen worden gekozen om de gewenste fasebalans, mechanische eigenschappen en verwerkbaarheid te verkrijgen.