Verschiedene Arten von Titanlegierungen

Titanlegierungen sind technische Werkstoffe, die sich durch hohe Festigkeit, geringes Gewicht und gute Korrosionsbeständigkeit auszeichnen.

Durch die Legierung von Titan mit verschiedenen Elementen können diese Legierungen so entwickelt werden, dass sie den spezifischen Leistungsanforderungen verschiedener Branchen gerecht werden.

Dieser Artikel bietet einen detaillierten Überblick über die Klassifizierung von Titanlegierungen, ihre mechanischen, physikalischen und thermischen Eigenschaften, die Branchen, in denen sie vorkommen, sowie Überlegungen zur Bearbeitung und Wärmebehandlung.

Alpha-Legierungen sind einphasige Materialien mit einer HCP-Kristallstruktur, die durch chemische Elemente wie Aluminium, Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff stabilisiert wird. Diese Legierungen bieten eine mäßige Festigkeit, sind hoch korrosionsbeständig-und leistungsfähig bei hohen Temperaturen.

Sie können aufgrund ihrer einphasigen Struktur nicht wärmebehandelt-werden, was die Aushärtung durch Ausscheidung einschränkt.

Alpha-stabilisierende chemische Elemente hingegen begünstigen eine hohe Festigkeit durch Festigung der festen Lösung, eine übermäßige Legierungsbildung (z. B. Aluminiumäquivalenz über 9 %) kann jedoch zur Ausfällung spröder intermetallischer Verbindungen führen. Die Legierungen bieten Bruchzähigkeit und Kriechfestigkeit in aggressiven Umgebungen.

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Nahe{0}}Alpha-Titanlegierungen bestehen hauptsächlich aus der Alpha-Phase mit 1–2 % beta{3}}stabilisierenden chemischen Elementen wie Molybdän oder Silizium, wodurch eine kleine Menge duktiler Beta-Legierungsphase eingeführt wird.

Diese Legierungen behalten die Korrosionsbeständigkeit und Bruchzähigkeit der Alpha-Legierungen bei, verbessern gleichzeitig die Warmumformbarkeit und verfügen über eine begrenzte Wärmebehandelbarkeit.

Ihre Mikrostruktur, die im Wesentlichen aus Alpha-Partikeln mit kleineren Beta-Partikeln entlang der Korngrenzen besteht, weist Kriechfestigkeit bei erhöhten Temperaturen auf und macht sie daher für einige Anwendungen nützlich.

Alpha-Beta-Legierungen haben zwei Phasen in der Mikrostruktur und bestehen aus Mischungen von Alpha- und Beta-Phasen durch die Zugabe von Alpha-stabilisierenden chemischen Elementen wie Aluminium und Beta-stabilisierenden chemischen Elementen wie Vanadium und Molybdän.

Diese Legierungen sind wärmebehandelbar und können durch Abschrecken und Altern deutlich an Festigkeit gewinnen. Im Vergleich zu Alpha- und nahezu Alpha-Legierungen bietet die Beta-Phase eine gute Formbarkeit, Ermüdungsbeständigkeit und eine geringere Kriechfestigkeit.

Die Alpha-Beta-Legierung Ti-6Al-4V verfügt über ausgewogene mechanische Eigenschaften und verwendet etwa 50 % Titanlegierung.

Beta-Titanlegierungen haben eine BCC-Struktur, die durch eine hohe Konzentration betastabilisierender Elemente wie Molybdän, Vanadium oder Eisen stabilisiert wird. Diese Legierungen sind wärmebehandelbar und können durch die Ausfällung feiner Alpha-Partikel während der Alterung sehr hohe Festigkeiten erreichen.

Beta-Legierungen weisen eine gute Kaltumformbarkeit und eine gute Bruchfestigkeit auf, weisen jedoch bei Wärmebehandlung eine geringere Duktilität und Ermüdungsbeständigkeit auf

Metastabile Beta-Legierungen mit einem Molybdän-Äquivalent von 10–30 bleiben nach schnellem Abkühlen vollständig Beta-Legierungen und können eine hohe Festigkeit für die anspruchsvollsten Anwendungen bieten.

Ti-6Al-4V (oder ASTM Grade 5) ist eine häufig verwendete Titanlegierung, die etwa 6 % Aluminium und 4 % Vanadium sowie geringe Mengen an Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff enthält.

Es handelt sich um eine Alpha{0}}Beta-Legierung, die Zugfestigkeiten im Bereich von 895-1100 MPa entwickelt, atmosphärisch korrosionsbeständig ist und ein sehr gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aufweist, weshalb sie in Materialien für die Luft- und Raumfahrt sowie für biomedizinische Materialien bevorzugt wird.

Die Wärmebehandlungsprozesse können gewünschte mechanische und physikalische Eigenschaften liefern, wobei Lösungsbehandlung und Alterung im Gleichgewicht sind und eine hohe Festigkeit bei gleichzeitiger Beibehaltung einer guten Duktilität fördern.

Die nahezu Alpha-Kombination Ti-6242 wurde bei erhöhten Temperaturen entwickelt. Es enthält 6 % Aluminium, 2 % Zinn, 4 % Zirkonium und 2 % Molybdän, was ihm eine hervorragende Kriechfestigkeit verleiht und eine hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen von bis zu 550 Grad aufrechterhält.

Seine Mikrostruktur unterstützt die Korrosionsbeständigkeit und thermische Stabilität und eignet sich daher für Düsentriebwerke und andere Hochtemperaturkomponenten in der Luft- und Raumfahrt.

Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften von Titanlegierungen sind für tragende Anwendungen von entscheidender Bedeutung. Basierend auf MatWeb-Daten sind in der folgenden Tabelle Zugfestigkeit, Streckgrenze, Dehnung und Härte für die wichtigsten Titanqualitäten aufgeführt.

Es enthält handelsübliche reine Titansorten mittlerer{0}}Festigkeit und hoher-Duktilität, wobei Güteklasse 4 die stärkste unter den handelsüblichen reinen Güteklassen ist. Alpha- und nahezu Alpha-Legierungen wie Ti-6242 bieten mittlere Festigkeit und hohe Bruchzähigkeit.

Alpha-Beta-Typen wie Ti-6Al-4V bieten eine hohe Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit. Im Gegensatz dazu können sich Hochtemperatur-Beta-Legierungen wie Beta C über 1200 MPa entwickeln, was für Anwendungen mit hoher Belastung geeignet ist, aber eine begrenzte Duktilität aufweist.

Physikalische Eigenschaften

Die physikalischen Eigenschaften beeinflussen die Eignung einer Legierung für Anwendungen, die ein bestimmtes Gewicht oder magnetische Eigenschaften erfordern. In der folgenden Tabelle, die von MatWeb stammt, sind Dichte und spezifisches Gewicht aufgeführt.

Titanlegierungen mit einer Dichte von 4,4 bis 4,8 g/cm³ sind viel leichter als andere Metalle wie Stahl (7,9 g/cm³), was für ihr geringes Gewicht und ihre große Festigkeit verantwortlich ist. Titanlegierungen sind eine gute Option, wenn eine geringe magnetische Interferenz erforderlich ist, beispielsweise für medizinische Zwecke und für die Luft- und Raumfahrt.

Elektrische Eigenschaften

Titanlegierungen haben im Vergleich zu anderen Metallen wie Kupfer (0,017 μΩ·m) einen hohen elektrischen Widerstand (0,42–1,78 μΩ·m) und daher eine geringere Leitfähigkeit.

Die Eigenschaft kann ein elektrisch isolierendes Material in Einrichtungen sein, in denen Korrosionsbeständigkeit und Nicht{0}}leitfähigkeit am meisten erwünscht sind, beispielsweise in chemischen Verarbeitungsanlagen.

Thermische Eigenschaften

Die thermischen Eigenschaften sind für Anwendungen mit hohen Temperaturen von entscheidender Bedeutung. In der folgenden Tabelle sind die Wärmeleitfähigkeit und die maximale Betriebstemperatur aufgeführt.

Titanlegierungen mit geringer Wärmeleitfähigkeit erschweren die Bearbeitung, sind aber bei hohen Temperaturen akzeptabel.

Aufgrund der Phasenstabilität ist kommerziell reines Titan auf 350 Grad begrenzt, während Legierungen wie Ti-6Al-4V und Ti-6242 extreme Temperaturen von jeweils 400–550 Grad durchlaufen.

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