Hoe worden microstructuren van titaniumlegeringen geïdentificeerd?

Titanium en titaniumlegeringen combineren een lage dichtheid, een hoge specifieke sterkte, corrosiebestendigheid, hittebestendigheid, niet-magnetische eigenschappen en niet-giftigheid. Ze worden op grote schaal toegepast in de lucht- en ruimtevaart, scheepsbouw, de aardolie-industrie, de chemische verwerking, de lichte industrie, de metallurgie, de machinebouw, de geneeskunde en de energiesector.

Titaniumlegeringen worden doorgaans onderverdeeld in alfa-, alfa-bèta- en bèta-legeringen. Hun basisfasen zijn relatief eenvoudig, maar door de verwerkingsomstandigheden kunnen er talrijke morfologieën en verdelingen ontstaan, evenals overgangs- en onzuiverheidsfasen.

Metallografische structuren van titaniumlegeringen

Commercieel zuiver titanium (CP-titanium) behoort tot de alfa-familie. Andere alfa-legeringen bevatten doorgaans ongeveer 6% aluminium plus kleine hoeveelheden neutrale elementen en bestaan na gloeien bijna volledig uit alfa. Deze collectieve classificatie omvat CP-titanium en alfa-titaniumlegeringen. Near-alfa-legeringen bevatten bovendien niet meer dan ongeveer 4% bèta-stabiliserende elementen; voorbeelden hiervan zijn Ti-8Al-1Mo-1V (Ti-811) en Ti-4Al-2V.

Alfa-titaniumlegeringen en hun microstructuren

Alfa-titaniumlegeringen bestaan vrijwel volledig uit de alfa-fase, hoewel er sporen van bèta kunnen voorkomen wanneer het gehalte aan ijzer of mangaan relatief hoog is. Alfa komt in twee hoofdvormen voor: equiaxiaal en lamellair of naaldvormig. Door bewerking en gloeien in het enkel-alfa-gebied ontstaan equiaxiale alfa-korrels die vergelijkbaar zijn met die in CP-titanium.

Als het gloeien plaatsvindt boven de alfa/alfa-bèta-overgang (ongeveer 955 °C) of de alfa-bèta/bèta-overgang (ongeveer 1040 °C), verandert de bèta-fase bij daaropvolgende afkoeling in de oven of aan de lucht in lamellaire of naaldvormige alfa-fase met een Widmanstatten-karakter. Afkoeling in de oven leidt tot grotere, afgeronde platen; afkoeling aan de lucht leidt tot fijnere, scherpere naalden. In vergelijking met equiaxiale alfa hebben deze morfologieën weinig invloed op de treksterkte, maar verminderen ze de ductiliteit.

Alfa-bèta-titaniumlegeringen en hun microstructuren

Alfa-bèta-legeringen bevatten minder dan 6% aluminium in massa, samen met verschillende bèta-stabilisatoren en neutrale elementen. Na gloeien bevatten ze verschillende verhoudingen van alfa en bèta. Ze zijn over het algemeen goed lasbaar en kunnen door warmtebehandeling worden versterkt, maar hun koudvervormbaarheid en koudbewerkbaarheid zijn slecht. Voorbeelden hiervan zijn Ti-6Al-4V, Ti-6,5Al-3,5Mo-1,5Zr-0,3Si en TC21 (ongeveer vergelijkbaar met Ti-62222).

Ti-6Al-4V is de meest gebruikte alfa-bèta-titaniumlegering. Deze legering wordt doorgaans warmverwerkt en gegloeid, maar kan ook worden afgekoeld en verouderd. De verhouding tussen alfa- en bètafasen en de morfologie, grootte en verdeling van beide fasen zijn zeer gevoelig voor de omstandigheden tijdens de warmverwerking.

Tijdens het afkoelen of een isotherme behandeling kan de alfa-neerslag uit bèta gepaard gaan met een overgangsfase van omega, een submicroscopische fase buiten evenwicht die ontstaat door nucleatie en groei.

Bèta-titaniumlegeringen en hun microstructuren

Beta-legeringen worden onderverdeeld in stabiele beta-, metastabiele beta- en bijna-beta-legeringen. Belangrijke metallografische variabelen zijn onder meer de grootte van de beta-korrels, de hoeveelheid en morfologie van primaire en secundaire alfa, en de verdeling van alfa langs de korrelgrenzen.

Stabiele bèta-legeringen

Stabiele bèta-legeringen bevatten voldoende bèta-stabilisatoren om de martensitische transformatie tijdens het afkoelen tot kamertemperatuur te onderdrukken. Hun gegloeide en afgekoelde matrices bestaan uit equiaxiale bèta, en bij kruip bij hoge temperaturen kunnen tweelingen ontstaan. Ze hebben een relatief lage sterkte bij kamertemperatuur, een goede koudvervormbaarheid en een goede corrosiebestendigheid in reducerende media.

Metastabiele bèta-legeringen

Metastabiele-bèta-legeringen bevatten meer dan de kritische concentratie aan bèta-stabilisatoren, met een molybdeen-equivalent van ongeveer 10%, niet meer dan 3% aluminium en kleine hoeveelheden neutrale elementen. Oplossingsbehandeling in het bèta-gebied levert een vrijwel volledig metastabiele bèta-structuur op; veroudering leidt tot de neerslag van alfa. Deze legeringen combineren een goede koudverwerkbaarheid met een hoge verouderingssterkte. Representatieve samenstellingen zijn onder meer Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al, Ti-10Mo-8V-1Fe-3,5Al en Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3).

Bijna-bèta-legeringen

Nabeta-legeringen bevatten bèta-stabilisatoren in de buurt van de kritische concentratie, samen met neutrale elementen en aluminium. Door een bèta-veldoplossingsbehandeling ontstaan er in overvloed metastabiele bèta- en andere metastabiele alfa- of omega-bestanddelen; na veroudering overheersen alfa en bèta. Deze legeringen zijn zeer geschikt voor smeedstukken en bieden een goede balans tussen sterkte en taaiheid. Ti-10V-2Fe-3Al (Ti-10-2-3) is een representatieve legering.