Microstructural evolution during ageing treatment of metastable titanium alloy Ti-17

Abstract

Titan-basierte Legierungen sind aufgrund ihrer guten mechanischen Eigenschaften wichtige Baustoffe für bestimmte Luft- und Raumfahrtbauteile und Strukturen. Ein hohes Festigkeits-Dichte Verhältnis, gute Kriech- und Dauerfestigkeit zeichnet diese aus. Die near [beta]-Ti-Legierung Ti-17 (Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Cr-4Mo) ist wegen ihres Verhaltens bei Festigkeit-, Härtbarkeit-, Zähigkeit- und Kurzzeitfestigkeit besonders attraktiv für die Luft-und Raumfahrtindustrie. Diese Eigenschaften ermöglichen die Anwendungen in Triebwerkskomponenten insbesondere Mantelstromtriebwerk und Scheiben, sowie in Pylonen, die hohen Belastungen und Vibrationen im Temperaturbereich von -40°C bis 300°C ausgesetzt sind.<br />In dieser Arbeit wird die Titanlegierung Ti-17 unterschiedlichen Wärmebehandlungen unterzogen. Die Rekristallisationsglühung, Lösungsglühung, Auslagerung und Doppel-Auslagerung ermöglichen Gefügeänderungen durch die Verwendung von Dilatometrie, Differential Scanning Kalorimetrie (DSC), Härtemessungen, In-Situ/Ex-Situ Diffraktionsexperimente mittels Synchrotron-strahlung sowie Beobachtungen der Licht- und Rasterelektronmikroskopie zu untersuchen.<br />Thermomechanische Behandlungen des Augangsmaterials zeigen keine signifikanten Veränderungen in Härte und in den Ex-Situ Synchrotron Experimenten während der Auslagerung zwischen 350-500°C. Allerdings wird eine Erhöhung der Längenänderung bei Verlängerung der Auslagerungszeit und Erhöhung der Auslagerungstemperatur erkannt. Die Wärmebehandlung bei 950°C für 1 Stunde und anschließender Wasserabkühlung führen zu einem Gefüge mit vollständig rekristallisierten [beta]-Körnern. DSC, Dilatometrie und In-Situ Synchrotron Experimente dieser im [beta]-Gebiet wasserabgeschreckten Proben (BWQ) zeigen metastabile Phasen wie [omega] und [alpha]'', die mit der [beta]-Phase im Temperaturbereich von 300-450°C koexistieren. Durch In-Situ Diffraktometrie Experimente können bestimmt werden, dass die ersten 10-15 Minuten des Auslagerungsprozesses, für die Bildung dieser Phasen bei hohen Heizraten, kritisch sind. Die Auslagerung der wasserabgeschreckten Proben (BWQ) zeigen die maximalen Härtewerte bei 450°C, die mit der Anfangsphase der [alpha]-Teilchen korreliert werden kann.<br />

Titanium-based alloys are important structural materials for specific aerospace components and structures due to their high specific strength, good creep and fatigue resistance. Among them near-[beta] Ti alloy, Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Cr-4Mo (Ti-17) is attractive for the aerospace industry due to its high strength, hardenability, good toughness and excellent low-cycle fatigue resistance. Such properties, which depend on the microstructure of the alloy allow it to find applications in jet engine components, specifically, in fan and discs, as well as in pylons subjected to high vibration loads and temperature changes between -40°C and 300°C.<br />In this work, a Ti-17 alloy is subjected to different thermal treatments such as recrystallization, annealing, ageing and double ageing in order to investigate its microstructural evolution by dilatometry, differential scanning calorimetry (DSC), hardness, in-situ/ex-situ X-ray synchrotron diffraction and metallography by light optical microscopy (LOM) and field emission gun scanning electron microscopy (FEG-SEM).<br />The thermomechanically processed material in as-received condition does not show significant changes in hardness nor variations of the present phases determined by ex-situ diffraction measurements after different ageing times between 350-500°C. On the other hand, an increment of the volume of the sample is detected when the ageing time and temperature increases. Heat treatment at 950°C for 1 hour and following water cooling shows a microstructure with fully recrystallized [beta] grains.<br />Differential scanning calorimetry, dilatometry and in-situ diffraction of these [beta]-field water-quenched samples (BWQ) reveal metastable phases like [omega] and [alpha]'' coexisting with the [beta]-phase at temperature range of 300-450°C. In-situ diffraction experiments show that the first 10-15min during the isothermal part of ageing process is critical for the formation of potential phases at high heating rates.<br />Ageing of BWQ samples exhibit the maximum hardness values at 450°C which is correlated with early stage of [alpha]-lath formations.<br />