1. Vermoeiingssterkte van titaniumlegeringen
Belangrijkste kenmerken van de vermoeidheidssterkte van titaniumlegeringen
Voor gegloeide Ti-6Al-4V (de meest alomtegenwoordige titaniumlegering) varieert de vermoeiingssterkte bij kamertemperatuur (bij 10⁷ cycli, R=-1, waarbij R de spanningsverhouding is van minimale tot maximale spanning) van300–400 MPa, waarbij sommige hittebehandelde varianten 450–500 MPa bereiken. Dit is aanzienlijk hoger dan dat van 304 roestvrij staal (≈170 MPa) en 6061-T6 aluminium (≈90 MPa) onder dezelfde testomstandigheden, waardoor Ti-6Al-4V ideaal is voor toepassingen met hoge cyclische vermoeidheid (HCF).
Voor titaniumlegeringen met een hoge-sterkte (bijv. Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-5Al-2.5Sn) kan de vermoeiingssterkte groter zijn dan 500 MPa in de oplossingsbehandelde en verouderde (STA) toestand, omdat de fijne neergeslagen fasen in hun microstructuur de dislocatiebeweging en het ontstaan van scheuren belemmeren.
Legeringen met twee-fasen (+) (bijv. Ti-6Al-4V): Hun uitgebalanceerde microstructuur zorgt voor een optimale weerstand tegen vermoeidheid. De -fase draagt bij aan de sterkte en weerstand tegen scheurvoortplanting, terwijl de -fase de ductiliteit verbetert en het ontstaan van scheuren remt. Over-veroudering of overmatig koud bewerken kunnen echter -fasedeeltjes grover maken of restspanningen introduceren, waardoor de vermoeiingssterkte met 10-20% afneemt.
legeringen (bijv. Ti-5Al-2,5Sn): Deze legeringen hebben uitstekende prestaties bij lage-cyclusvermoeidheid (LCF) dankzij hun stabiele HCP--fase-microstructuur, met een LCF-levensduur (bij Δσ/2=500 MPa) van meer dan 10⁴ cycli. Ze worden veel gebruikt in lucht- en ruimtevaartcomponenten bij lage- temperaturen.
legeringen (bijv. Ti-10V-2Fe-3Al): Met een volledig BCC--fasestructuur bieden deze legeringen een hoge weerstand tegen vermoeiingsscheurgroei (da/dN ≈ 10⁻⁸ m/cyclus bij ΔK=20 MPa·m¹/²) en zijn ze geschikt voor componenten onder dynamische, hoge- belastingsomstandigheden (bijv. rotorassen van helikopters).
Corrosieve omgevingsvermoeidheid (CAF): In zeewater of chloride-bevattende media behouden titaniumlegeringen veel betere vermoeiingsprestaties dan staal of aluminium, omdat hun passieve oxidefilm door corrosie-geïnduceerde scheurvorming voorkomt. De vermoeiingssterkte van Ti-6Al-4V in zeewater neemt slechts met 5–10% af (tot ≈350 MPa bij 10⁷ cycli), terwijl roestvrij staal 304 een afname van 50% ervaart als gevolg van putcorrosie.
Gevoeligheid van de oppervlakteconditie: Oppervlaktedefecten (bijv. bewerkingssporen, microscheurtjes) en waterstofverontreiniging zijn belangrijke oorzaken van vermoeiingsfouten. Kogelstralen of anodiseren kan de vermoeiingssterkte met 20-30% verbeteren door drukrestspanningen te introduceren en de passivatie van het oppervlak te verbeteren. Omgekeerd kan waterstofverbrossing de levensduur van vermoeiing met wel 50% verkorten door de groei van intergranulaire scheurtjes bij lage temperaturen te bevorderen.
Bij cryogene temperaturen (bijv. -196 graden) neemt de vermoeiingssterkte van Ti-6Al-4V toe tot450–500 MPadankzij verbeterde atomaire binding en verminderde dislocatiemobiliteit, zonder ductiele-naar-brosse overgang in vermoeidheidsgedrag.
Bij verhoogde temperaturen (tot 300 graden) blijft de vermoeiingssterkte boven 250 MPa (10⁷ cycli), maar boven 400 graden veroorzaken oxidatie en verzachting van de korrelgrens een snelle afname (waarbij 30-40% van de vermoeiingssterkte bij kamertemperatuur verloren gaat bij 500 graden).
2. Kruipeigenschappen van titaniumlegeringen
Belangrijkste kenmerken van de kruipprestaties van titaniumlegeringen
+ legeringen (bijv. Ti-6Al-4V): Hun maximale kruiptemperatuur op de lange- termijn is300–350 graden. Bij een spanning van 300 graden en 200 MPa is de kruipsnelheid in stabiele- toestand kleiner dan of gelijk aan 10⁻⁸ s⁻¹, en de kruipvervorming is minder dan 0,1% na 10.000 uur blootstelling-voldoende voor compressorbladen van vliegtuigmotoren en structurele componenten in subsonische vliegtuigen. Boven 400 graden versnelt de kruipsnelheid scherp (meer dan 10⁻⁶ s⁻¹ bij 450 graden/200 MPa) als gevolg van -fasevergroving en korrelgrensverschuiving.
legeringen (bijv. Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo): Deze legeringen hebben de hoogste kruipweerstand onder de titaniumlegeringen, met een lange- gebruikstemperatuur van400–500 graden. Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo bij 450 graden en 250 MPa heeft bijvoorbeeld een steady-state kruipsnelheid van minder dan of gelijk aan 5×10⁻⁹ s⁻¹ en een breukduur van meer dan 100.000 uur, waardoor het geschikt is voor lucht- en ruimtevaartmotoronderdelen op hoge temperatuur.
legeringen: Hun kruipweerstand is lager dan die van en + legeringen, met een maximale bedrijfstemperatuur van 300–350 graden, omdat de BCC -fase een hogere atomaire mobiliteit heeft en gevoelig is voor kruipvervorming onder langdurige- spanning.
Bij lage temperaturen (<400°C) and high stresses, creep is dominated by dislocatie klimmen en glijdenin de -fase, waarbij de -fase fungeert als een barrière tegen dislocatiebeweging (waardoor de kruipweerstand in twee- tweefasige legeringen wordt verbeterd).
At high temperatures (>450 graden),korrelgrensverschuiving en diffusiekruipdominant worden. legeringen met fijne, gelijkmatig verdeelde korrels en vaste-oplossing-versterkte elementen (Al, Sn, Zr) zijn effectief bestand tegen glijden van de korrelgrens, vandaar hun superieure kruipprestaties bij hoge- temperaturen.
Warmtebehandeling speelt een cruciale rol: oplossingsbehandeling gevolgd door veroudering (STA) voor + legeringen zorgt ervoor dat fijne -fasedeeltjes in de -matrix neerslaan, waardoor dislocaties worden vastgezet en de kruipsnelheid met 50-70% wordt verminderd in vergelijking met de gegloeide toestand.
In oxiderende atmosferen remt de vorming van een dichte TiO₂-Al₂O₃ passieve film op titaniumlegeringen (vooral die met een hoog Al-gehalte) de zuurstofdiffusie en vermindert kruipverbrossing. Bij temperaturen boven 550 graden wordt de oxidefilm echter poreus, waardoor zuurstof de matrix kan binnendringen en een bros "alfa-geval" kan vormen, wat de kruipbreuk versnelt.
In omgevingen die waterstof{0}} bevatten, verhoogt waterstofabsorptie de kruipsnelheid door de dislocatiemobiliteit en intergranulair kraken te bevorderen, waardoor de kruiplevensduur van titaniumlegeringen in dergelijke atmosferen met 20-30% wordt beperkt.
