Warmtebehandeling van titanium en titaniumlegeringen (1)

Warmtebehandeling is een proces waarbij gecontroleerde verwarming en koeling van metalen wordt uitgevoerd onder zeer nauwkeurige omgevingsomstandigheden om de fysieke of mechanische eigenschappen van het metaal te veranderen zonder de vorm van het product te veranderen. Als de warmtebehandeling niet correct wordt uitgevoerd, bereikt het metaal mogelijk niet de gewenste eigenschappen die nodig zijn om aan de ontwerpspecificaties van de ingenieur te voldoen.
Warmtebehandeling wordt doorgaans geassocieerd met het vergroten van de sterkte van materiaal, maar wordt ook vaak gebruikt om de bewerkbaarheid te verbeteren, de vervormbaarheid te verbeteren, de ductiliteit te vergroten of de corrosieweerstand te vergroten. Daarom is het een cruciaal proces dat ervoor zorgt dat de gespecificeerde eigenschappen van het metaal worden bereikt.

De voordelen van een warmtebehandeling met titaniumlegeringen:

Vermindering van restspanningen die tijdens de fabricage ontstaan ​​(spanningsverlichtend)
Produceer een optimale combinatie van ductiliteit, bewerkbaarheid en maat- en structurele stabiliteit (gloeien)
Versterking van de sterkte (oplossing voor behandeling en veroudering)

Optimaliseer speciale eigenschappen zoals breuktaaiheid, vermoeiingssterkte en kruipsterkte bij hoge temperaturen

Spanningsverlichtend titanium

Titanium en titaniumlegeringen kunnen spanningsvrij worden gemaakt zonder de sterkte of ductiliteit nadelig te beïnvloeden.

Spanningsverlichtende behandelingen verminderen de ongewenste restspanningen die het gevolg zijn van ten eerste het niet-uniform heet smeden of vervorming door koudvervormen en rechttrekken, ten tweede het asymmetrisch bewerken van platen of smeedstukken, en ten derde het lassen en afkoelen van gietstukken. Het verwijderen van dergelijke spanningen helpt de vormstabiliteit te behouden en elimineert ongunstige omstandigheden, zoals het verlies aan drukvloeigrens, algemeen bekend als het Bauschinger-effect.

Het verlichten van spanning is waarschijnlijk de meest voorkomende warmtebehandeling die aan titanium en titaniumlegeringen wordt gegeven. Het wordt gebruikt om de ongewenste restspanningen te verminderen die het gevolg zijn van niet-uniforme vervorming bij heet smeden, niet-uniform koudvormen en rechttrekken, asymmetrische bewerking van plaat (hogouts) of smeedstukken, lassen van gesmeed, gegoten of poedermetallurgie (P/M) onderdelen, en afkoelen van gietstukken.

Het verlichten van spanning helpt de vormstabiliteit te behouden en kan ook ongunstige omstandigheden elimineren, zoals verlies aan drukvloeigrens - het Bauschinger-effect - dat bijzonder ernstig kan zijn bij titaniumlegeringen. Het verlichten van spanning kan worden uitgevoerd zonder de sterkte of ductiliteit nadelig te beïnvloeden.

Gloeien

Het uitgloeien van titanium en titaniumlegeringen dient in de eerste plaats om de breuktaaiheid, de ductiliteit bij kamertemperatuur, de dimensionele en thermische stabiliteit en de kruipweerstand te vergroten. Veel titaniumlegeringen worden in gegloeide toestand in gebruik genomen. Omdat verbetering van een of meer eigenschappen doorgaans wordt verkregen ten koste van een andere eigenschap, moet de gloeicyclus worden gekozen in overeenstemming met het doel van de behandeling.
Veel voorkomende gloeibehandelingen zijn:

Molengloeien is een algemene behandeling die aan alle maalproducten wordt gegeven. Het is geen volledig gloeien en kan sporen van koude of warme bewerking achterlaten in de microstructuren van zwaar bewerkte producten, met name plaatwerk.

Duplex-gloeien verandert de vormen, afmetingen en verdelingen van fasen in die welke nodig zijn voor verbeterde kruipweerstand of breuktaaiheid. Bij het duplex-gloeien van de Corona 5-legering vindt het eerste uitgloeien bijvoorbeeld nabij de transus plaats om het vervormde te globuleren en de volumefractie ervan te minimaliseren. Dit wordt gevolgd door een tweede uitgloeiing bij lagere temperatuur om nieuwe lensvormige (naaldvormige) deeltjes tussen de bolvormige deeltjes te laten neerslaan. Deze vorming van een naald gaat gepaard met verbeteringen in de kruipsterkte en breuktaaiheid.

Herkristallisatie-gloeien en gloeien worden gebruikt om de breuktaaiheid te verbeteren. Bij herkristallisatie-gloeien wordt de legering verwarmd tot aan de bovenkant van het bereik, daar een tijdje vastgehouden en vervolgens heel langzaam afgekoeld. De afgelopen jaren heeft herkristallisatie-gloeien het gloeien voor breukkritische cascocomponenten vervangen.

(Bèta) Gloeien. Net als rekristallisatie-gloeien verbetert gloeien de breuktaaiheid. Bèta-gloeien wordt uitgevoerd bij temperaturen boven de transus van de legering die wordt uitgegloeid. Om overmatige korrelgroei te voorkomen mag de temperatuur bij het gloeien slechts iets hoger zijn dan de transus. De gloeitijden zijn afhankelijk van de dikte van de sectie en zouden voldoende moeten zijn voor een volledige transformatie. De tijd op temperatuur na transformatie moet tot een minimum worden beperkt om de korrelgroei te beheersen. Grotere secties moeten door een ventilator worden gekoeld of met water worden afgeschrikt om de vorming van een fase aan de korrelgrenzen te voorkomen.

Oplossingsbehandeling en veroudering

Een breed scala aan sterkteniveaus kan worden verkregen in of legeringen door oplossingsbehandeling en veroudering. Met uitzondering van de unieke Ti-2.5Cu-legering ligt de oorsprong van de warmtebehandelingsreacties van titaniumlegeringen in de instabiliteit van de hoge temperatuurfase bij lagere temperaturen.
Het verwarmen van een legering tot de oplossingsbehandelingstemperatuur levert een hogere faseverhouding op. Deze verdeling van fasen wordt in stand gehouden door uitdoving; bij daaropvolgende veroudering vindt ontleding van de onstabiele fase plaats, wat een hoge sterkte oplevert. Commerciële legeringen worden over het algemeen geleverd in oplossingsbehandelde toestand en hoeven alleen te worden verouderd. Oplossingsbehandeling van titaniumlegeringen omvat doorgaans verwarming tot temperaturen die iets boven of iets onder de transustemperatuur liggen.
(Beta)legeringen worden normaal gesproken in oplossing behandelde toestand van producenten verkregen. Als opnieuw verwarmen nodig is, mogen de weektijden slechts zo lang duren als nodig is om een ​​volledige oplossing te verkrijgen. De oplossingsbehandelingstemperaturen voor legeringen liggen boven de transus; omdat er geen tweede fase aanwezig is, kan de graangroei snel verlopen.
- (Alfa-bèta)legeringen. De selectie van een oplossingsbehandelingstemperatuur voor legeringen is gebaseerd op de combinatie van mechanische eigenschappen die na veroudering gewenst zijn. Een verandering in de oplossingsbehandelingstemperatuur van legeringen verandert de hoeveelheden fase en bijgevolg de reactie op veroudering.
Om een ​​hoge sterkte met voldoende ductiliteit te verkrijgen, is het noodzakelijk een oplossingsbehandeling uit te voeren bij een temperatuur die hoog is in het veld, normaal gesproken 25 tot 85 graden (50 tot 150 graden F) onder de transus van de legering. Als een hoge breuktaaiheid of een verbeterde weerstand tegen spanningscorrosie vereist is, kan uitgloeien of oplossingsbehandeling wenselijk zijn. Warmtebehandelingslegeringen in dit bereik veroorzaken echter een aanzienlijk verlies aan ductiliteit. Deze legeringen worden gewoonlijk onder de transus met warmte behandeld om een ​​optimaal evenwicht te verkrijgen tussen ductiliteit, breuktaaiheid, kruip en spanningsbreukeigenschappen.

Afschrikken

Als legeringen snel worden afgekoeld door het afschrikken van water uit het gehele bètagebied, wordt de neiging van de alfafase om zich te vormen onderdrukt en blijft de bètafase behouden. Bepaalde legeringssamenstellingen vertonen echter een bijzondere transformatie bij het afschrikken. Dit mechanisme van martensitische of afschuifachtige transformatie wordt niet volledig begrepen. De vorming van deze structuur, de zogenaamde alfaprime, veroorzaakt enige vervorming van het rooster. Deze vervorming en de daaruit voortvloeiende spanning produceren een materiaal dat hard en taai is en betere vermoeiingseigenschappen bezit dan alfa. Dit afschrikproces is ook het eerste punt voor het temperen.

Temperen

Wanneer titanium wordt afgeschrikt vanaf een verhoogde temperatuur, opnieuw wordt verwarmd tot een temperatuur onder de bèta-transus, gedurende een bepaalde tijd wordt vastgehouden en opnieuw wordt afgeschrikt, wordt er gezegd dat het is getemperd. Er zijn drie variabelen bij het temperen: de aanwezige fasen, de tijd die wordt aangehouden en de tempertemperatuur.

Wanneer de initiële structuur alpha prime bevat, vinden er twee veranderingen plaats: de alpha prime transformeert naar alpha, en op langere tijden wordt de alpha gekarteld. Het resultaat is een verlies aan hardheid en sterkte en een toename van de ductiliteit en impact. Alfa-bètastructuren volgen dit patroon echter niet. De alfa blijft grotendeels ongewijzigd; de bèta valt uiteen en vormt meer alfa ten koste van de bètafase. Bij lage temperaturen zal er meer alfa gevormd worden; lage tempereertemperaturen resulteren dus in een grotere afname in sterkte en hardheid en een grotere toename in taaiheid dan het tempereren bij hoge temperatuur over identieke tijdsintervallen.

Isotherme transformatie

Bij het heet afschrikken van een legering uit het volledig bètagebied tot temperaturen in het alfa-bètaveld en het gedurende een bepaalde tijd vasthouden en vervolgens verder afschrikken tot kamertemperatuur, wordt het materiaal isotherm getransformeerd. Behandeling op deze manier veroorzaakt precipitatie van de alfafase uit de bèta. Bij hoge temperaturen slaat de alfa eerst neer op de korrelgrenzen en later in de bètakorrels zelf.
Deze behandeling levert, wanneer het wordt bewaard op temperaturen net onder de transformatietemperatuur, aanvankelijk een zeer hard materiaal op als gevolg van de vorming van bèta-prime. Als de houdtijd wordt verlengd, nemen de hardheid en sterkte af met een daarmee gepaard gaande toename van de ductiliteit en taaiheid. Bij lagere temperaturen vindt een geleidelijke stijging van de hardheid en brosheid plaats, en bij langere perioden kan een hogere hardheid worden verkregen dan bij korte behandelingen bij hoge temperaturen.

(Wordt vervolgd)