Hoe zorgen legeringselementen ervoor dat titaniumlegeringen sterker worden?

Titaniumlegeringen worden versterkt door geselecteerde toevoegingen die het gedrag van de vaste oplossing, de fasestabiliteit, de neerslagvorming en de reactie op warmtebehandeling beïnvloeden. Aluminium versterkt voornamelijk de α-fase; vanadium en molybdeen stabiliseren en versterken β-titanium, terwijl tin en zirkonium hittebestendige legeringen ondersteunen. In de onderstaande paragrafen worden deze effecten vergeleken met die van mangaan, chroom, silicium, koper en zeldzame-aardmetalen.

Aluminium

Bijna elke titaniumlegering, met uitzondering van commercieel zuiver titanium, bevat aluminium, voornamelijk ter versterking door middel van een vaste oplossing. Elke 1% aluminium per massa verhoogt de treksterkte bij kamertemperatuur met ongeveer 50 MPa. De oplosbaarheid van aluminium in titanium is beperkt tot 7,5%. Boven deze grens ontstaat geordend Ti₃Al (α₂) en heeft een negatieve invloed op de vervormbaarheid, de taaiheid en het gedrag bij spanningscorrosie; daarom wordt aluminium doorgaans beperkt tot 7%.

Aluminium verbetert de oxidatiebestendigheid, verlaagt de dichtheid en verhoogt de herkristallisatietemperatuur. Door toevoeging van 5% kan de herkristallisatietemperatuur worden verhoogd van 600 °C voor zuiver titanium tot 800 °C. Het versterkt de atomaire bindingen in de vaste oplossing van titanium en verbetert de sterkte bij hoge temperaturen. In warmtebehandelbare β-legeringen kan ongeveer 3% aluminium de verscherfende ω-fase onderdrukken die ontstaat door de ontleding van metastabiel β. Aluminium verhoogt ook de oplosbaarheid van waterstof in α-Ti, waardoor de gevoeligheid voor hydridegerelateerde verscherfing wordt verminderd.

Zirkonium en tin

Tin is, net als zirkonium, een neutraal element en versterkt de α-vaste oplossing effectief zonder de ductiliteit noemenswaardig te verminderen. Het verbetert de kruipweerstand en speelt een belangrijke rol in hittebestendige titaniumlegeringen.

Zirkonium is goed oplosbaar in zowel α-Ti als β-Ti en wordt vaak samen met andere elementen toegevoegd om de legering extra te versterken. Zirkonium en tin zorgen ervoor dat hittebestendige legeringen met een uitsluitend α-fase een betere hitte- en kruipweerstand bieden met minder verlies aan ductiliteit dan aluminium, waardoor een goede vervormbaarheid en lasbaarheid worden gewaarborgd. Tin vermindert ook de gevoeligheid voor waterstofbrosheid. Bij een te hoge concentratie vormt zich geordend Ti₃Sn vormt zich en vermindert de vervormbaarheid en de thermische stabiliteit.

Vanadium en molybdeen

Vanadium is een β-isomorf element dat onbeperkt oplosbaar is in β-titanium en in beperkte mate oplosbaar is in α-titanium. Het versterkt effectiever dan tin, terwijl het een goede vervormbaarheid behoudt, en kan de kruipweerstand en thermische stabiliteit verbeteren.

Molybdeen is eveneens β-isomorf. Het zorgt voor versterking door vaste-oplossing, verbetert de warmverwerkbaarheid, de kruipweerstand en de thermische stabiliteit, en vermindert de neiging tot waterstofbrosheid. Vanadium en molybdeen zijn de meest gebruikte β-stabilisatoren. Ze versterken de β-fase, verlagen de transformatietemperatuur, verhogen de hardbaarheid en verbeteren de reactie op warmtebehandeling. Titaniumlegeringen die een van beide elementen bevatten, ondergaan geen eutectoïde reactie en behouden een goede structurele stabiliteit bij hoge temperaturen. Vanadium alleen biedt kruipweerstand tot slechts ongeveer 400 °C. Molybdeen is effectiever, maar verhoogt de dichtheid en verbetert ook de corrosiebestendigheid, met name de weerstand tegen spleetcorrosie in chlorideoplossingen.

Mangaan en chroom

Mangaan en chroom versterken en stabiliseren de β-fase aanzienlijk en hebben een lagere dichtheid dan molybdeen of wolfraam. Ze worden op grote schaal gebruikt in metastabiele β-legeringen met hoge sterkte. Hun trage eutektoïde reacties met titanium kunnen de stabiliteit bij hoge temperaturen op lange termijn en de kruipweerstand verminderen. Het toevoegen van een β-isomorf element, met name molybdeen, onderdrukt deze reacties.

Koper

Een deel van het koper lost op in de α-fase en een deel vormt TiCu₂, waardoor de thermische stabiliteit en de sterkte bij hoge temperaturen worden verbeterd. Boven de oplosbaarheidsgrens kan veroudering leiden tot dispersieversterking en de sterkte bij kamertemperatuur en bij hogere temperaturen aanzienlijk verhogen.

Silicium

Silicium verbetert de sterkte bij hoge temperaturen. Vanaf ongeveer 0,21 TP33T per massa vormt het Ti₅Si₃ in zirkoniumvrije legeringen en (Ti₂Zr)₅Si₃ in zirkoniumhoudende legeringen. Deze siliciden verbeteren de kruipweerstand, maar verminderen de thermische stabiliteit. De hoge eutektoïde temperatuur van silicium (860 °C) draagt bij aan de hittebestendigheid, waardoor hittebestendige legeringen vaak ongeveer 0,25% silicium bevatten, zonder de maximale oplosbaarheid in de α-fase te overschrijden. Omdat silicium- en titaniumatomen sterk in grootte verschillen, segregeert silicium bij dislocaties en belemmert het de beweging daarvan. Het verhoogt ook de oplosbaarheid van waterstof in de β-fase en vermindert de neiging tot waterstofbrosheid.

Zeldzame-aardmetalen

Toevoegingen van zeldzame aardmetalen verbeteren de hittebestendigheid en thermische stabiliteit. Door interne oxidatie ontstaan fijne, stabiele zeldzame aardmetalen_xO_y deeltjes die zorgen voor dispersieversterking. Dit proces verlaagt de zuurstofconcentratie in de matrix en zorgt ervoor dat tin in zeldzame-aardmetalenoxiden terechtkomt, wat helpt om de brosheid van α te onderdrukken₂ neerslag. Zeldzame-aardmetalen remmen bovendien de groei van β-korrels sterk af en maken de korrels fijner, waardoor de algemene eigenschappen worden verbeterd.

De ontwikkeling van titaniumlegeringen evolueert in de richting van sterk gelegeerde meercomponentensystemen. Legeringstoevoegingen zorgen voor versterking door vaste oplossing, stabiliseren de α- of β-fasen, verbeteren de reactie op warmtebehandeling, onderdrukken schadelijke effecten en verhogen de hitte- en corrosiebestendigheid.