Wärmebehandlung von Titan und Titanlegierungen (1）
Bei der Wärmebehandlung handelt es sich um einen Prozess, bei dem Metalle unter sehr präzisen Umgebungsbedingungen kontrolliert erhitzt und abgekühlt werden, um die physikalischen oder mechanischen Eigenschaften des Metalls zu verändern, ohne die Form des Produkts zu verändern. Wenn die Wärmebehandlung nicht korrekt durchgeführt wird, erreicht das Metall möglicherweise nicht die gewünschten Eigenschaften, die zur Erfüllung der Konstruktionsspezifikationen des Ingenieurs erforderlich sind.
Wärmebehandlung ist in der Regel mit der Erhöhung der Materialfestigkeit verbunden, wird jedoch häufig auch zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit, der Formbarkeit, der Duktilität oder der Korrosionsbeständigkeit eingesetzt. Daher handelt es sich um einen entscheidenden Prozess, der sicherstellt, dass die spezifizierten Eigenschaften des Metalls erreicht werden.
Die Vorteile der Wärmebehandlung von Titanlegierungen:
Reduzieren Sie die während der Fertigung entstehenden Eigenspannungen (Entlastung)
Herstellen einer optimalen Kombination aus Duktilität, Bearbeitbarkeit sowie Dimensions- und Strukturstabilität (Glühen)
Festigkeit erhöhen (Lösungsbehandlung und Alterung)
Optimieren Sie spezielle Eigenschaften wie Bruchzähigkeit, Dauerfestigkeit und Hochtemperatur-Kriechfestigkeit
Spannungsarmglühen von Titan
Titan und Titanlegierungen können spannungsarm geglüht werden, ohne dass die Festigkeit oder Duktilität beeinträchtigt wird.
Spannungsarmbehandlungen verringern die unerwünschten Eigenspannungen, die erstens durch ungleichmäßiges Warmschmieden oder Verformung durch Kaltumformen und Richten, zweitens durch asymmetrische Bearbeitung von Blechen oder Schmiedestücken und drittens durch Schweißen und Abkühlen von Gussteilen entstehen. Die Beseitigung solcher Spannungen trägt zur Aufrechterhaltung der Formstabilität bei und beseitigt ungünstige Bedingungen, wie z. B. den Verlust der Druckstreckgrenze, der allgemein als Bauschinger-Effekt bekannt ist.
Spannungsarmglühen ist wahrscheinlich die häufigste Wärmebehandlung für Titan und Titanlegierungen. Es wird verwendet, um die unerwünschten Eigenspannungen zu verringern, die aus ungleichmäßiger Verformung beim Warmschmieden, ungleichmäßigem Kaltumformen und Richten, asymmetrischer Bearbeitung von Blechen (Hogouts) oder Schmiedestücken, Schweißen von Schmiede-, Guss- oder pulvermetallurgischen Teilen (P/M) usw. resultieren Abkühlung von Gussteilen.
Spannungsarmglühen trägt zur Aufrechterhaltung der Formstabilität bei und kann auch ungünstige Bedingungen wie den Verlust der Druckstreckgrenze – den Bauschinger-Effekt – beseitigen, der bei Titanlegierungen besonders schwerwiegend sein kann. Der Spannungsabbau kann ohne Beeinträchtigung der Festigkeit oder Duktilität durchgeführt werden.
Glühen
Das Glühen von Titan und Titanlegierungen dient in erster Linie der Erhöhung der Bruchzähigkeit, der Duktilität bei Raumtemperatur, der Dimensions- und Wärmestabilität sowie der Kriechfestigkeit. Viele Titanlegierungen werden im geglühten Zustand eingesetzt. Da die Verbesserung einer oder mehrerer Eigenschaften im Allgemeinen auf Kosten einer anderen Eigenschaft erreicht wird, sollte der Glühzyklus entsprechend dem Ziel der Behandlung ausgewählt werden.
Gängige Glühbehandlungen sind:
Das Mühlenglühen ist eine allgemeine Behandlung aller Mühlenprodukte. Es handelt sich nicht um ein vollständiges Glühen und kann Spuren der Kalt- oder Warmbearbeitung in den Mikrostrukturen stark bearbeiteter Produkte, insbesondere Bleche, hinterlassen.
Beim Duplexglühen werden die Formen, Größen und Verteilungen der Phasen so verändert, dass sie für eine verbesserte Kriechfestigkeit oder Bruchzähigkeit erforderlich sind. Beim Duplex-Glühen der Corona-5-Legierung findet beispielsweise das erste Glühen in der Nähe des Transus statt, um die Verformung zu kugelförmig zu machen und ihren Volumenanteil zu minimieren. Darauf folgt ein zweites Glühen bei niedrigerer Temperatur, um zwischen den kugelförmigen Partikeln neue linsenförmige (nadelförmige) Partikel auszuscheiden. Diese nadelförmige Bildung geht mit einer Verbesserung der Kriechfestigkeit und der Bruchzähigkeit einher.
Zur Verbesserung der Bruchzähigkeit werden Rekristallisationsglühen und Glühen eingesetzt. Beim Rekristallisationsglühen wird die Legierung bis zum oberen Ende des -Bereichs erhitzt, eine Zeit lang gehalten und dann sehr langsam abgekühlt. In den letzten Jahren hat das Rekristallisationsglühen das Glühen für bruchkritische Flugzeugkomponenten ersetzt.
(Beta) Glühen. Wie das Rekristallisationsglühen verbessert das Glühen die Bruchzähigkeit. Das Beta-Glühen erfolgt bei Temperaturen über dem Transus der zu glühenden Legierung. Um ein übermäßiges Kornwachstum zu verhindern, sollte die Glühtemperatur nur geringfügig über der Transustemperatur liegen. Die Glühzeiten hängen von der Abschnittsdicke ab und sollten für eine vollständige Umwandlung ausreichend sein. Die Zeit bei Temperatur nach der Umwandlung sollte auf ein Minimum beschränkt werden, um das Kornwachstum zu kontrollieren. Größere Abschnitte sollten gebläsegekühlt oder mit Wasser abgeschreckt werden, um die Bildung einer Phase an den Korngrenzen zu verhindern.
Lösungsbehandlung und Alterung
Durch Lösungsbehandlung und Alterung kann in Legierungen ein breites Spektrum an Festigkeitsniveaus erreicht werden. Mit Ausnahme der einzigartigen Ti-2.5Cu-Legierung liegt der Ursprung der Wärmebehandlungsreaktionen von Titanlegierungen in der Instabilität der Hochtemperaturphase bei niedrigeren Temperaturen.
Das Erhitzen einer Legierung auf die Lösungsbehandlungstemperatur führt zu einem höheren Phasenverhältnis. Diese Phasenaufteilung wird durch Abschrecken aufrechterhalten; Bei der anschließenden Alterung kommt es zur Zersetzung der instabilen Phase, wodurch eine hohe Festigkeit erreicht wird. Kommerzielle Legierungen werden im Allgemeinen im lösungsbehandelten Zustand geliefert und müssen nur gealtert werden. Bei der Lösungsbehandlung von Titanlegierungen wird im Allgemeinen auf Temperaturen erhitzt, die entweder leicht über oder unter der Transustemperatur liegen.
(Beta-)Legierungen werden in der Regel von Herstellern im lösungsbehandelten Zustand bezogen. Wenn ein erneutes Erhitzen erforderlich ist, sollten die Einweichzeiten nur so lange wie nötig sein, um eine vollständige Lösung zu erreichen. Die Lösungstemperaturen für Legierungen liegen über dem Transus; Da keine zweite Phase vorhanden ist, kann das Kornwachstum schnell voranschreiten.
- (Alpha-Beta-)Legierungen. Die Auswahl einer Lösungsbehandlungstemperatur für Legierungen basiert auf der Kombination der nach der Alterung gewünschten mechanischen Eigenschaften. Eine Änderung der Lösungsbehandlungstemperatur von Legierungen verändert die Phasenmengen und folglich die Reaktion auf Alterung.
Um eine hohe Festigkeit mit ausreichender Duktilität zu erreichen, ist eine Lösungsbehandlung bei einer hohen Temperatur im Feld erforderlich, normalerweise 25 bis 85 Grad (50 bis 150 Grad F) unter dem Transus der Legierung. Wenn eine hohe Bruchzähigkeit oder eine verbesserte Beständigkeit gegen Spannungskorrosion erforderlich ist, kann ein Glühen oder eine Lösungsbehandlung wünschenswert sein. Allerdings führt die Wärmebehandlung von Legierungen in diesem Bereich zu einem erheblichen Verlust der Duktilität. Diese Legierungen werden in der Regel unterhalb des Transus lösungsgeglüht, um ein optimales Gleichgewicht zwischen Duktilität, Bruchzähigkeit, Kriech- und Spannungsbrucheigenschaften zu erreichen.
Abschrecken
Wenn Legierungen durch Abschrecken mit Wasser aus dem gesamten Beta-Bereich schnell abgekühlt werden, wird die Tendenz der Alpha-Phase zur Bildung unterdrückt und die Beta-Phase bleibt erhalten. Bestimmte Legierungszusammensetzungen zeigen jedoch beim Abschrecken eine besondere Umwandlung. Dieser Mechanismus der martensitischen oder scherartigen Umwandlung ist nicht vollständig verstanden. Die Bildung dieser Struktur, der sogenannten Alpha-Primzahl, führt zu einer gewissen Verzerrung des Gitters. Diese Verformung und die daraus resultierende Spannung erzeugen ein Material, das hart und zäh ist und bessere Ermüdungseigenschaften als Alpha besitzt. Dieser Abschreckvorgang ist auch Ausgangspunkt für das Anlassen.
Temperieren
Wenn Titan bei erhöhter Temperatur abgeschreckt, wieder auf eine Temperatur unterhalb des Beta-Übergangs erhitzt, über einen längeren Zeitraum gehalten und dann erneut abgeschreckt wird, spricht man von einer Vergütung. Beim Anlassen gibt es drei Variablen: die vorhandenen Phasen, die gehaltene Zeit und die Anlasstemperatur.
Wenn die ursprüngliche Struktur Alpha-Primzahl enthält, treten zwei Veränderungen auf: Die Alpha-Primzahl wandelt sich in Alpha um, und bei längeren Zeiten wird die Alpha-Primzahl gezahnt. Die Folge ist ein Verlust an Härte und Festigkeit sowie eine Zunahme der Duktilität und Schlagzähigkeit. Alpha-Beta-Strukturen folgen diesem Muster jedoch nicht. Das Alpha bleibt im Wesentlichen unverändert; Das Beta zerfällt, um auf Kosten der Beta-Phase mehr Alpha zu bilden. Bei niedrigen Temperaturen wird mehr Alpha gebildet; Daher führen niedrige Anlasstemperaturen zu einer stärkeren Abnahme der Festigkeit und Härte und einem größeren Anstieg der Duktilität als das Anlassen bei hohen Temperaturen über identische Zeitintervalle.
Isotherme Transformation
Beim Heißabschrecken einer Legierung aus dem All-Beta-Bereich auf Temperaturen im Alpha-Beta-Bereich und Halten für einen bestimmten Zeitraum und anschließendem weiteren Abschrecken auf Raumtemperatur wird das Material isotherm umgewandelt. Eine solche Behandlung führt zur Ausfällung der Alpha-Phase aus der Beta-Phase. Bei hohen Temperaturen fällt das Alpha zuerst an den Korngrenzen und später innerhalb der Betakörner selbst aus.
Wenn diese Behandlung bei Temperaturen knapp unter der Umwandlungstemperatur gehalten wird, ergibt sich aufgrund der Bildung von Betaprim zunächst ein sehr hartes Material. Bei längerer Haltezeit nehmen Härte und Festigkeit ab und damit einhergehend eine Zunahme der Duktilität und Zähigkeit. Bei niedrigeren Temperaturen kommt es zu einem allmählichen Anstieg der Härte und Sprödigkeit, und bei längerer Zeit kann eine höhere Härte erreicht werden als bei kurzzeitigen Hochtemperaturbehandlungen.
(Fortgesetzt werden)
