Eigenschaften von Titan und Titanlegierungen
Mar 19, 2024
Titan ist das technische Material, das die Kombination, die Ingenieure normalerweise abwägen müssen, am beständigsten erfüllt: geringe Dichte, hohe Festigkeit, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und gute Zähigkeit. Reines Titan hat eine Dichte von etwa 4,5 g/cm³, etwa 60 % von Stahl, während seine Legierungen Zugfestigkeiten erreichen, die mit mittelfesten Stählen vergleichbar sind. Das Metall bildet einen dichten, selbstheilenden Oxidfilm, der Meerwasser, Chloriden und oxidierenden Säuren widersteht und bei kryogenen Temperaturen seine Duktilität behält. Aufgrund dieser Eigenschaften rückt Titan in den Mittelpunkt von Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, Chemie, Schifffahrt, Medizin und Energie.
Grundlegende Eigenschaften von Titan
Geringe Dichte und hohe spezifische Festigkeit
Reines Titan hat eine Dichte von etwa 4,5 g/cm³ und einen Schmelzpunkt von etwa 1668 Grad. Seine spezifische Festigkeit, das Verhältnis von Festigkeit zu Dichte, übertrifft die der meisten Baustähle und Aluminiumlegierungen, weshalb Titan Stahl überall dort ersetzt, wo Gewicht reduziert werden muss, ohne dass die Belastbarkeit verloren geht.
Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit
Die Affinität von Titan zu Sauerstoff erzeugt einen dichten, stark haftenden Oxidfilm, der sich an der Luft und in den meisten wässrigen Medien sofort bildet. Der Film ist selbst-heilend: Wenn er zerkratzt wird,-formiert er sich innerhalb von Millisekunden neu. Daher ist Titan in oxidierenden, neutralen und leicht reduzierenden Umgebungen stabil, einschließlich Meerwasser, Chloridsolen, Salpetersäure und den meisten organischen Medien. Der Film wird nur von Medien angegriffen, die ihn kontinuierlich auflösen, insbesondere von Flusssäure, heißer konzentrierter Salzsäure und heißer konzentrierter Phosphorsäure. Durch die Zugabe von Oxidationsmitteln oder bestimmten Metallionen zu diesen Lösungen wird der Schutzfilm wiederhergestellt, der die Grundlage für die Legierung mit Palladium, Molybdän oder Nickel bildet.
Ermüdungs- und Bruchverhalten
Titanlegierungen weisen eine gute Ermüdungsfestigkeit und Beständigkeit gegen Risswachstum auf, wobei der Grad von der Mikrostruktur abhängt. Feine gleichachsige Alpha-Beta-Strukturen, die durch Arbeiten unterhalb des Beta-Transus erzeugt werden, ergeben das beste Ermüdungsverhalten. Auch die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen ist hervorragend: Titan zeigt keinen Übergang von duktil zu spröde und die Festigkeit steigt tatsächlich mit sinkender Temperatur, was den Einsatz bei kryogenen Temperaturen bis zu -253 Grad ermöglicht.
Hohe-Temperaturfähigkeit
Kommerziell reine Qualitäten sind auf etwa 300-400 Grad begrenzt, aber Titanlegierungen erweitern den nützlichen Bereich: Alpha-Beta-Legierungen wie Ti-6Al-4V dienen bei 300–400 Grad und nahezu Alpha-Legierungen wie Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo arbeiten bei etwa 500 Grad, wobei Entwicklungslegierungen auf 600–700 Grad abzielen. Damit positioniert sich Titan im Temperaturspektrum zwischen Aluminium- und Nickellegierungen.
Wie das Legieren die Eigenschaften verändert
Titanlegierungen werden nach ihrer Mikrostruktur bei Raumtemperatur klassifiziert. Alpha-Legierungen wie Ti-5Al-2,5Sn legen Wert auf Kriechfestigkeit und Schweißbarkeit. Alpha-Beta-Legierungen, angeführt von Ti-6Al-4V, vereinen Festigkeit, Zähigkeit und Herstellbarkeit und dominieren den Markt. Beta- und Beta-nahe Legierungen wie Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn bieten im lösungsbehandelten Zustand die höchste Festigkeit und Formbarkeit. Aluminium, Vanadium, Molybdän und Zinn sind die Hauptlegierungselemente, die jeweils das Phasengleichgewicht und das Eigenschaftsprofil verschieben.
Praktische Auswahlhinweise
Für Korrosionsbeständigkeit und Formbarkeit: kommerziell reine Güteklasse 1 und Güteklasse 2 gemäß ASTM B265
Für strukturelle Festigkeit: Ti-6Al-4V gemäß ASTM B265, B348 oder AMS 4911
Für den Einsatz in heißen Chloridspalten: Klasse 7 oder Klasse 12 gemäß ASTM B265
Für medizinische Implantate: Grad 23 ELI gemäß ASTM F136 oder Grad 2 gemäß ASTM F67
Für kryogenen Einsatz: Legierungen der Güteklasse 2 oder ELI mit bestätigt niedrigem Zwischengittergehalt
FAQ
Ist Titan leichter als Stahl?
Ja. Die Dichte von Titan beträgt etwa 4,5 g/cm³ gegenüber etwa 7,8 g/cm³ bei Stahl, sodass Titanteile bei gleichem Volumen etwa 40 % weniger wiegen.
Ist Titan stärker als Stahl?
In spezifischer Stärke, ja für viele Qualitäten. Ti-6Al-4V erreicht eine Mindestzugfestigkeit von 895 MPa bei 60 % des Stahlgewichts, was gegenüber den meisten Baustählen einen Festigkeits-Gewichts-Vorteil darstellt.
Rostet Titan?
Nein. Titan bildet anstelle von Eisenoxid einen stabilen Titandioxidfilm, sodass es nicht rostet und wirksam gegen allgemeine Korrosion in Meerwasser und den meisten chemischen Medien immun ist.
Was greift Titan an?
Flusssäure, heiße konzentrierte Salzsäure, heiße Phosphorsäure und einige starke heiße Ätzlösungen lösen den Schutzfilm auf und korrodieren Titan. Oxidierende Zusätze unterdrücken diesen Angriff.
Kann Titan bei hohen Temperaturen verwendet werden?
Ja, in Grenzen. Alpha-Beta-Legierungen dienen bei 300-400 Grad und Nahe-Alpha-Legierungen bei etwa 500 Grad; Kriechfestigkeit und Oxidationsrate legen die Obergrenze für jede Sorte fest.
Welche Titansorte bietet die beste Korrosionsbeständigkeit?
Handelsüblich reine Qualität 1 und 2 bieten eine hervorragende allgemeine Korrosionsbeständigkeit. Zur Reduzierung von Säuren und heißen Chloridspalten sind Palladium-haltiges Material der Güteklasse 7 oder Molybdän-Nickel der Güteklasse 12 besser geeignet.
