Optimierung der mechanischen Eigenschaften von Beta-Titanlegierungen durch die Verwendung von Wasserstoff als temporäres Legierungselement

Abstract

Die Verwendung von Wasserstoff als temporäres Legierungselement entlang der thermomechanischen Prozessroute gilt als vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere im Fall von Titangusslegierungen. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die thermohydrogene Behandlung (THP) auch im Fall komplexer metastabiler Beta-Titanlegierungen die quasi-statische und dynamische Festigkeit verbessert, in dem die Reversibilität der Titan-Wasserstoffreaktion zu Nutze gemacht und gezielt auf Phasengleichgewichte, die Phasenumwandlungskinetik und Legierungselementverteilung Einfluss genommen wird. Der Prozessentwicklung liegen zwei Beta-Titanlegierungen zugrunde, die sich hinsichtlich ihrer Beta-Stabilisierung deutlich voneinander abgrenzen. Die thermohydrogene Behandlung der hochstabilisierten Beta-Titanlegierung Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr (Ti-38644) führt zu einer Erhöhung der Streckgrenze um mehr als 4 % und der Dauerfestigkeit um 8 % im Vergleich zu einem duplex-ausgelagerten Referenzgefüge. Bei dem 5-stufigen Hi-Read-Verfahren (Hydride-induced Rearrangement of Dislocations) gelingt eine Optimierung des Ausscheidungsverhaltens der sekundären Alpha-Phase in einem vollständig rekristallisierten Beta-Gefüge, ausgehend von einer hydridinduzierten Versetzungsvervielfachung im Beta-Mischkristall. Die Namensgebung für den THP erfolgt in Anlehnung an den von Frank Read beschriebenen Mechanismus der Versetzungsneubildung. Das auf die hochfeste Beta-Titanlegierung Ti-10V-2Fe-3Al (Ti-1023) angewandte 4-stufige HiRe-Beta-Verfahren (Hydride-induced Recrystallization of Beta-Phase) bietet die beste Möglichkeit zur Festigkeitsoptimierung durch Maximierung des Ausscheidungsdrucks für die sekundäre Alpha-Phase. Die hydridinduzierte Rekristallisation der Beta-Phase bewahrt zeitgleich ein feinkörniges Beta-Grundgefüge trotz vollständiger Destabilisierung der globularen primären Alpha-Phase. Verglichen mit der technisch wärmebehandelten near-Beta-Titanlegierung steigert der THP die Streckgrenze um über 8 %. Das Versagen der Proben im elastischen Bereich der Spannungs-Dehnungskurve wird auf das Vorhandensein prozessbedingter Randrisse zurückgeführt. Die für Beta-Titanlegierungen entwickelten THP unterscheiden sich grundsätzlich in der Art der Wasserstoffaufnahme, welche beim Hi-Read-Verfahren zeitunabhängig durch Sievertssche Hydrogenation bei höheren Temperaturen erfolgt. Beim HiRe-Beta-Prozess setzt die für die Gefügeoptimierung so wichtige Hydridbildung bereits während der Wasserstoffbeaufschlagung bei niedrigen Temperaturen ein, sodass die Hydrogenationsdauer über den Volumenanteil an ausgeschiedenen Hydriden mitentscheidet (zeitabhängiges Verhalten). Die Festlegung thermohydrogener Prozessstrategien erfolgt für beide Beta-Titanlegierungen ausgehend von Untersuchungen zum Gefügeeinfluss auf die mechanischen Eigenschaften. Diese belegen einen Abfall von Streckgrenze und Dauerfestigkeit sowie eine Begünstigung der Rissausbreitung durch die Bildung von ausscheidungsfreien Zonen und Alpha-Säumen an Korngrenzen. Durch Untersuchungen zur Kinetik und Thermodynamik der Wasserstoffaufnahme und zum Wasserstoffeinfluss auf die Phasenstabilität können definierte Hydrogenationszustände in den beiden metastabilen Beta-Titanlegierungen Ti-38644 und Ti-1023 realisiert werden. Die Auswertung von Wasserstoffkonzentrationsprofilen in nach elektrochemischer Wasserstoffabscheidung diffusionsgeglühten Stabproben dient der Ermittlung von Wasserstoffdiffusionskoeffizienten, die unter Annahme einer idealen Wasserstoffsorption die Bestimmung von (De-)Hydrogenationszeiten auf Basis numerischer Methoden erlauben. Volumetrische Messungen zeigen, dass eine rein diffusionskontrollierte Wasserstoffaufnahme selbst bei Temperaturen oberhalb der Stabilitätsgrenze des Titanoxids nicht zu realisieren ist. Dieser Oberflächeneinfluss wird bei der Abschätzung der Zeiten für die vollständige (De-)Hydrogenation durch Korrekturfaktoren berücksichtigt, welche eine homogene Wasserstoffverteilung bei definierten Wasserstoffkonzentrationen in den Probenquerschnitten gewährleisten. Das galvanische Beschichten von Proben beider Beta-Titanlegierungen mit dem Wasserstoffabsorber Palladium beschleunigt die Kinetik der Wasserstoffaufnahme deutlich, sodass praktikable Prozesszeiten auch bei niedrigen Prozesstemperaturen realisiert werden können. Für beide Beta-Titanlegierungen zeigt sich mit steigender Wasserstoffkonzentration eine starke Absenkung der modifizierten Phasenübergangstemperatur (Beta-Transus). Bei Ti-38644 fällt dieser bis zum Einsetzen der eutektoiden Umwandlung der Beta-Phase in Alpha- und Hydridphase ab. Bei Ti-1023 sinkt der modifizierte Beta-Transus kontinuierlich bis zum Erreichen der eutektoiden Temperatur und bleibt dann über einen größeren Bereich der Wasserstoffkonzentration konstant. Da der Hydridbildung bei der thermohydrogenen Gefügeoptimierung zweiphasiger Titanlegierungen eine Schlüsselrolle zukommt, wird die Löslichkeitsgrenze des Beta-Mischkristalls in den Zustandsdiagrammen der beiden Beta-Titanlegierungen grob eingegrenzt. Die Kenntnis der modifizierten Phasenübergangstemperatur und der Löslichkeitsgrenze des Beta-Mischkristalls für Wasserstoff ist von essentieller Bedeutung, erlaubt sie doch die Festlegung thermohydrogener Prozessrouten in den Zustandsdiagrammen der metastabilen Beta-Titanlegierungen Ti-38644 und Ti-1023. Die thermohydrogen in den beiden metastabilen Beta–Titanlegierungen Ti-38644 und Ti-1023 hervorgerufenen Gefügezustände liegen außerhalb der Möglichkeiten konventioneller Wärmebehandlungsmaßnahmen. Zudem bieten Hi-Read und HiRe-Beta-Prozess Möglichkeiten zur graduellen Gefügeanpassung an praxisrelevante Beanspruchungsfälle, sodass die thermohydrogenen Prozesse alle Merkmalle eines innovativen Wärmebehandlungsverfahrens aufweisen.

The use of hydrogen as a temporary alloying element as a part of the thermomechanical process is considered being a promising approach for improving mechanical properties especially of titanium cast alloys. The present study shows, that this so-called thermohydrogen processing (THP) improves monotonic and cyclic strength even of complex metastable beta titanium alloys by taking advantage of the reversibility of the titanium-hydrogen interaction and by exerting an selective influence on phase equilibria, kinetics of phase transformation and the distribution of alloying elements. Thermohydrogen processing is applied on two beta titanium alloys differing considerably with respect to beta stability. Thermohydrogen processing of highly beta stabilized titanium alloy Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr (Ti-38644) increases yield strength by more than 4 % and fatigue limit by 8 % as compared to a duplex aged (reference) microstructure. The 5-step Hi-Read-process (Hydride-induced Rearrangement of Dislocations) optimizes the precipitation behavior of the secondary alpha phase in a completely recrystallized beta microstructure, coming from hydride-induced multiplication of dislocations within beta solid solution. Designating the THP contributes to the mechanism of dislocation formation as initially described by Frank Read. The 4-step HiRe-Beta process (Hydride-induced Recrystallization of beta Phase) applied on high-strength beta titanium alloy Ti-10V-2Fe-3Al (Ti-1023) provides the best way to improve strength by maximizing the driving force for precipitation of the secondary alpha phase. Despite complete destabilization of globular primary alpha phase, hydride-induced recrystallization of the beta phase simultaneously preserves a fine beta microstructure. As compared to the conventionally heat-treated material the THP increases yield strength by more than 8 %. Fracture of samples occurred within the elastic region of the stress-strain curve is attributed to the existence of process-related crack formation. Both THP designed for beta titanium alloys fundamentally differ with respect to hydrogen uptake. The Hi-Read process utilizes time-independent Sieverts-type hydrogenation behavior at high temperature. In contrast, hydride formation already occurs during hydrogenation at low temperature in the HiRe-Beta process. Therefore, the volume fraction of precipitated hydrides is immediately affected by hydrogenation time (time-dependent hydrogenation behavior). Determination of THP-strategies for both metastable beta titanium alloys relies on studies on the relationship between microstructure and mechanical properties, exhibiting the detrimental effect of precipitate-free zones and grain boundary alpha phase, both decreasing yield strength and fatigue limit and additionally promoting the propagation of long cracks. Studying the kinetics and thermodynamics of hydrogen uptake and the effect of hydrogen on phase stability enables to establish specified hydrogen concentrations in metastable beta titanium alloys Ti-38644 and Ti-1023. Evaluation of hydrogen concentration profiles emerged from diffusion annealing of electrochemically hydrogenated small titanium bars enables the determination of hydrogen diffusion coefficients. Assuming an exclusively diffusion-controlled (ideal) hydrogen uptake, the hydrogen diffusion coefficients are used to calculate necessary hydrogenation times by means of numerical methods. Volumetric measurements reveal that even at temperatures above the stability limit of the titanium oxide an exclusively diffusion-controlled hydrogen uptake cannot be facilitated. The impact of the surface on the kinetics of hydrogen uptake is therefore considered by means of correction factors, which are used to estimate the times being necessary for complete hydrogen uptake and release. Specified hydrogen concentrations and homogeneous hydrogen distributions are established within the cross-sections of the samples in this way. Coating samples of both beta titanium alloys electrochemically with the hydrogen absorber palladium considerably accelerates the kinetics of hydrogen uptake, thereby facilitating feasible process times even at lower temperatures. Both beta titanium alloys studied exhibit a distinct reduction of the transition temperature (beta transus) with increasing hydrogen concentration. In case of Ti-38644 the modified beta transus decreases until the eutectoid transformation of the beta phase into alpha phase and hydride begins. For Ti-1023 the modified beta transus decreases continuously and remains constant over a wide range of hydrogen concentration after reaching the eutectoid temperature. Since hydride formation (eutectoid transformation) is considered to play the key role for microstructure optimization via thermohydrogen processing the location of the solubility limit of beta solid solution for hydrogen is determined roughly within the phase diagrams of both beta titanium alloys. Knowing the modified beta transus and the hydrogen solubility limit of beta solid solution is essential since it enables specification of thermohydrogen process routes within the phase diagrams of beta titanium alloys Ti-38644 und Ti-1023. Thermohydrogen processing of metastable beta titanium alloys Ti-38644 und Ti-1023 led to microstructures which cannot be facilitated through conventional thermomechanical processes. Additionally, the Hi-Read and HiRe-Beta thermohydrogen process provide the opportunity for adjusting the microstructures of both beta titanium alloys gradually according to prevailing load situations. Therefore, both THP show all features of an innovative heat treatment.