Wat zijn de soorten titaniumlegeringen, warmtebehandelingen en toepassingen?

Titanium en titaniumlegeringen presteren beter dan aluminium en aluminiumlegeringen wat betreft sterkte, hittebestendigheid en corrosiebestendigheid. Ze worden op grote schaal gebruikt in de luchtvaart, de ruimtevaart, de chemische industrie, bij de bouw van raketten en in schepen. Titanium wordt echter uiterst reactief bij hoge temperaturen. Het smelten, gieten, lassen en de warmtebehandeling moeten daarom onder vacuüm of in een inerte atmosfeer plaatsvinden. Deze strenge verwerkingsvoorwaarden en hoge kosten beperken een bredere toepassing.

Commercieel zuiver titanium

Titanium is een zilverwit metaal met een smeltpunt van 1.680 °C en een dichtheid van 4,5 g/cm³. Het is zwaarder dan aluminium, maar lichter dan staal. De sterkte ervan is ongeveer zes keer zo groot als die van aluminium, waardoor het een hoge specifieke sterkte heeft. Titanium heeft bovendien een hoge vervormbaarheid, een goede hittebestendigheid en een lage thermische uitzettingscoëfficiënt, waardoor de thermische spanning relatief laag is bij gebruik bij hoge temperaturen of bij warmvervorming.

Titanium heeft een uitstekende corrosiebestendigheid in zwavelzuur, zoutzuur, salpeterzuur, natriumhydroxide en andere alkalische oplossingen, vochtige omgevingen en zeewater. Het is niet bestand tegen fluorwaterstofzuur. Titanium is stabiel in de atmosfeer omdat er zich op het oppervlak een dichte oxidefilm vormt, waardoor het zijn metaalglans behoudt. Boven 600 °C verliest de laag echter haar beschermende werking.

Titanium kent twee allotropische vormen. Onder 882,5 °C is de stabiele structuur het hexagonaal dichtgepakte α-Ti. Tussen 882,5 °C en het smeltpunt is de stabiele structuur het kubisch ruimecentrische β-Ti.

Commercieel zuiver titanium (CP-titanium) wordt ingedeeld in verschillende kwaliteiten op basis van de toegestane gehaltes aan interstitiële elementen en onzuiverheden. Deze onzuiverheden beïnvloeden de sterkte, de ductiliteit en de corrosiebestendigheid. Gangbare kwaliteiten in het ASTM-systeem zijn onder meer de kwaliteiten 1, 2, 3 en 4, en de bron noemt kwaliteit 2 als een van de meest gebruikte kwaliteiten voor algemene industriële toepassingen. Deze verklaring beschrijft het internationale CP-titaniumkwalificatiesysteem en legt geen één-op-één-overeenkomst vast met Chinese CP-titaniumkwaliteiten.

CP-titanium combineert een goede corrosiebestendigheid met een gemiddelde sterkte. Het is geschikt voor onderdelen waarvoor geen zeer hoge sterkte vereist is, maar wel corrosiebestendigheid nodig is, zoals vliegtuighuiden en -constructies, apparatuur voor chemische verwerking, reactoren, warmtewisselaars en apparatuur voor zeewaterontzilting.

CP-titanium kan doorgaans niet worden versterkt door middel van conventionele warmtebehandeling. Koudvervorming kan de sterkte ervan vergroten. De belangrijkste warmtebehandelingen zijn herkristallisatiegloeien en spanningsverlichtingsgloeien, die de ductiliteit herstellen, restspanning verminderen en de maatvastheid verbeteren.

Samenstelling, microstructuur, classificatie en benamingen

Legeringselementen

Aan titanium worden legeringselementen toegevoegd om de sterkte te verhogen. Elementen die in α-Ti zijn opgelost, vormen een α-vaste oplossing, terwijl elementen die in β-Ti zijn opgelost, een β-vaste oplossing vormen. Aluminium, koolstof, stikstof, zuurstof en boor verhogen de transformatietemperatuur tussen de α- en β-allotropen en worden α-stabiliserende elementen genoemd. IJzer, molybdeen, magnesium, chroom, mangaan en vanadium verlagen de transformatietemperatuur en worden β-stabiliserende elementen genoemd. Tin en zirkonium hebben weinig invloed op de transformatietemperatuur en worden als neutrale elementen beschouwd.

Microstructurele klassen

Op basis van de microstructuur in de diensttoestand, oftewel de gegloeide toestand, worden titaniumlegeringen onderverdeeld in α-legeringen, β-legeringen, (α+β)-legeringen en near-α-legeringen die een kleine hoeveelheid β-fase bevatten. In Chinese legeringsaanduidingen worden voor deze drie hoofdgroepen de voorvoegsels TA, TB en TC gebruikt, gevolgd door een getal. Op basis van hun prestaties kunnen titaniumlegeringen ook worden omschreven als legeringen met lage, gemiddelde of hoge sterkte.

Warmtebehandeling van titaniumlegeringen

Ontspanningsgloeien

Bij spanningsverlichtend gloeien worden interne spanningen verwijderd die zijn ontstaan door verspaning of lassen. De bron vermeldt een typische temperatuur van 450 tot 650 °C, een houdtijd van 1 tot 4 uur en afkoeling aan de lucht.

Herkristallisatiegloeien

Door herkristallisatiegloeien wordt de verharding door vervorming opgeheven. De gebruikelijke temperaturen liggen tussen 550 en 690 °C voor zuiver titanium en tussen 750 en 800 °C voor titaniumlegeringen, met een houdtijd van 1 tot 3 uur, gevolgd door afkoeling aan de lucht.

Afschrikken en verouderen

Door afkoeling en veroudering worden de sterkte en hardheid van de legering verhoogd. α-titaniumlegeringen worden over het algemeen niet afgekoeld en verouderd. Voor β-legeringen en (α+β)-legeringen die relatief hoge gehaltes aan stabiliserende elementen bevatten, wordt de afkoeltemperatuur meestal gekozen in het bovenste deel van het α+β-tweefasige gebied. De bron vermeldt 760 tot 950 °C, een houdtijd van 5 tot 60 minuten en waterkoeling.

Na het afkoelen blijft er een deel van de α-fase over, terwijl de β-fase metastabiel wordt. Tijdens het verouderen slaat de verspreide α-fase neer uit de metastabiele β-fase, waardoor de sterkte en hardheid toenemen. De microstructuur van gehard en verouderd Ti-6Al-4V bevat blokvormige α+β-korrels en naaldvormige α-korrels. Bij het verwarmen moet verontreiniging, oxidatie en oververhitting worden voorkomen. Zodra de β-korrels te groot zijn geworden, kan de oorspronkelijke korrelgrootte door warmtebehandeling niet meer worden hersteld.

Veelvoorkomende soorten titaniumlegeringen en hun toepassingen

Alfa-titaniumlegeringen

α-titaniumlegeringen bestaan volledig uit een α-vaste oplossing en beschikken daarom over een goede taaiheid en ductiliteit. Ze kunnen koud worden verwerkt tot halffabricaten zoals platen en staven. Hun microstructuur is stabiel bij hoge temperaturen, met een goede oxidatiebestendigheid en warmteweerstand. Bij 500 tot 600 °C is hun sterkte de hoogste van de drie belangrijkste klassen van titaniumlegeringen, hoewel hun sterkte bij kamertemperatuur over het algemeen lager is dan die van β- en (α+β)-legeringen. Een representatieve legering is Ti-5Al-2,5Sn, die wordt gebruikt voor brandstoftanks van raketten en turbinebehuizingen van supersonische vliegtuigen.

Beta-titaniumlegeringen

Volledig β-titaniumlegeringen worden in de industrie zelden gebruikt omdat ze een relatief hoge dichtheid, een slechte hittebestendigheid en een lage oxidatiebestendigheid hebben. Boven 700 °C raken ze gemakkelijk verontreinigd door onzuivere gassen in de atmosfeer, en het productieproces is complex. De kubisch-ruimtecentrische structuur zorgt echter voor een goede vervormbaarheid, wat heeft geleid tot de ontwikkeling van metastabiele β-titaniumlegeringen. Een representatieve legering is Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al. Deze wordt doorgaans bij temperaturen onder 350 °C gebruikt voor zwaar belaste roterende onderdelen zoals compressorbladen, assen en schijven.

Alfa-bèta-titaniumlegeringen

(α+β)-titaniumlegeringen combineren de voordelen van α- en β-legeringen. Ze bieden een goede hittebestendigheid en vervormbaarheid, kunnen door middel van warmtebehandeling worden versterkt en zijn relatief eenvoudig te produceren. Ti-6Al-4V is de meest gebruikte legering in deze groep. Deze legering is geschikt voor motoronderdelen die sterkte bij hoge temperaturen tot 400 °C vereisen, en voor onderdelen van brandstoftanks voor vloeibare waterstof die bij lage temperaturen in raketten en raket Projectielen worden gebruikt.

Turbochargers voor automotoren van titaniumlegeringen en precisiegesmede schoepen voor vliegtuigmotoren zijn typische voorbeelden hiervan.

Typische samenstellingen, eigenschappen en toepassingen