W jaki sposób rozpoznaje się mikrostruktury stopów tytanu?

Tytan i stopy tytanu łączą w sobie niską gęstość, wysoką wytrzymałość właściwą, odporność na korozję, odporność na wysokie temperatury, niemagnetyczność oraz nietoksyczność. Znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle lotniczym i kosmicznym, inżynierii morskiej, przemyśle naftowym, przetwórstwie chemicznym, przemyśle lekkim, metalurgii, przemyśle maszynowym, medycynie oraz energetyce.

Stopy tytanu dzieli się zazwyczaj na stopy alfa, alfa-beta i beta. Ich podstawowe fazy są stosunkowo proste, jednak w zależności od warunków obróbki mogą powstawać różne morfologie i rozkłady, a także fazy przejściowe i zanieczyszczenia.

Struktury metalograficzne stopów tytanu

Tytan czysty handlowo (tytan CP) należy do rodziny stopów alfa. Inne stopy alfa zawierają zazwyczaj około 6% aluminium oraz niewielkie ilości pierwiastków neutralnych i po wyżarzaniu składają się prawie wyłącznie z fazy alfa. Ta zbiorcza klasyfikacja obejmuje tytan CP oraz stopy tytanu alfa. Stopy typu „prawie alfa” zawierają dodatkowo nie więcej niż około 4% pierwiastków stabilizujących fazę beta; przykładami są Ti-8Al-1Mo-1V (Ti-811) i Ti-4Al-2V.

Stopy tytanu typu alfa i ich mikrostruktury

Stopy tytanu alfa składają się prawie wyłącznie z fazy alfa, choć przy stosunkowo wysokiej zawartości żelaza lub manganu mogą pojawiać się śladowe ilości fazy beta. Faza alfa występuje w dwóch głównych postaciach: równokątnej oraz płytkowej lub igiełkowej. Obróbka i wyżarzanie w obszarze czystej fazy alfa powodują powstanie równokątnych ziaren alfa, podobnych do tych występujących w tytanie CP.

Jeśli wyżarzanie przebiega w temperaturze przekraczającej punkt przejścia alfa/alfa-beta (około 955 °C) lub punkt przejścia alfa-beta/beta (około 1040 °C), beta o wysokiej temperaturie przekształca się podczas późniejszego chłodzenia w piecu lub na powietrzu w lamelarną lub igiełkową alfa o charakterze widmanstattenowskim. Chłodzenie w piecu prowadzi do powstania większych, zaokrąglonych płytek; chłodzenie na powietrzu – drobniejszych, ostrzejszych igieł. W porównaniu z alfa równokątną morfologie te mają niewielki wpływ na wytrzymałość na rozciąganie, ale zmniejszają plastyczność.

Stopy tytanu typu alfa-beta i ich mikrostruktury

Stopy alfa-beta zawierają mniej niż 6% masy aluminium wraz z różnymi stabilizatorami fazy beta i pierwiastkami neutralnymi. Po wyżarzaniu zawierają one różne proporcje faz alfa i beta. Zasadniczo dobrze się spawają i można je utwardzać poprzez obróbkę cieplną, ale ich plastyczność na zimno i obrabialność na zimno są słabe. Przykładami są Ti-6Al-4V, Ti-6,5Al-3,5Mo-1,5Zr-0,3Si oraz TC21 (w przybliżeniu porównywalny z Ti-62222).

Ti-6Al-4V jest najczęściej stosowanym stopem tytanu typu alfa-beta. Zazwyczaj poddaje się go obróbce na gorąco i wyżarzaniu, ale można go również hartować i poddawać starzeniu. Stosunek faz alfa do beta oraz morfologia, wielkość i rozkład obu faz są bardzo wrażliwe na warunki obróbki na gorąco.

Podczas hartowania lub obróbki izotermicznej wytrącaniu się fazy alfa z fazy beta może towarzyszyć przejściowa faza omega – nierównowagowa faza submikroskopowa powstająca w wyniku nukleacji i wzrostu.

Stopy tytanu typu beta i ich mikrostruktury

Stopy beta dzieli się na stopy o stabilnej fazie beta, stopy o metastabilnej fazie beta oraz stopy o fazie quasi-beta. Do ważnych parametrów metalograficznych należą: wielkość ziaren beta, ilość i morfologia pierwotnej i wtórnej fazy alfa oraz rozmieszczenie fazy alfa wzdłuż granic ziaren.

Stabilne stopy beta

Stopy o stabilnej strukturze beta zawierają wystarczającą ilość stabilizatorów beta, aby zahamować przemianę martenzytyczną podczas hartowania do temperatury pokojowej. Ich matryce po wyżarzaniu i hartowaniu mają strukturę beta o równokątnych kryształach, a podczas pełzania w wysokich temperaturach mogą tworzyć się bliźniaki. Charakteryzują się stosunkowo niską wytrzymałością w temperaturze pokojowej, dobrą plastycznością na zimno oraz dobrą odpornością na korozję w środowiskach redukujących.

Stopy o metastabilnym rozpadzie beta

Stopy o strukturze beta metastabilnej zawierają stężenie stabilizatorów beta przekraczające stężenie krytyczne, przy czym ekwiwalent molibdenu wynosi około 10%, zawartość glinu nie przekracza 3%, a także niewielkie ilości pierwiastków neutralnych. Obróbka rozpuszczająca w polu beta pozostawia strukturę niemal w całości typu beta metastabilnego; starzenie powoduje wytrącanie się fazy alfa. Stopy te łączą dobrą obrabialność na zimno z wysoką wytrzymałością po starzeniu. Typowe składy to m.in. Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al, Ti-10Mo-8V-1Fe-3,5Al oraz Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3).

Stopy zbliżone do beta

Stopy typu „near-beta” zawierają stabilizatory struktury beta w ilości zbliżonej do stężenia krytycznego, a także pierwiastki neutralne i glin. Obróbka rozpuszczająca w polu beta powoduje powstanie znacznych ilości metastabilnej struktury beta oraz innych metastabilnych składników alfa lub omega; po starzeniu dominują struktury alfa i beta. Stopy te doskonale nadają się do odkuwek i charakteryzują się doskonałą równowagą między wytrzymałością a ciągliwością. Ti-10V-2Fe-3Al (Ti-10-2-3) jest typowym przykładem takiego stopu.