Titan Grad 5 und Grad 23: Ein detaillierter Vergleich

Das Ti-6Al-4V-Legierungssystem

Grad 5 und Grad 23 gehören zur Alpha{2}}Beta-Titanfamilie mit einer zwei{3}}Phasenstruktur aus hexagonalem Alpha und kubisch raumzentriertem Beta. Die Zusammensetzung aus 6 Prozent Aluminium und 4 Prozent Vanadium ist das erfolgreichste jemals entwickelte Titanlegierungssystem und vereint hohe Festigkeit, mäßige Dichte und gute Korrosionsbeständigkeit.

Metallurgisch handelt es sich bei den beiden Qualitäten um dasselbe System, sie sind jedoch für unterschiedliche Märkte spezifiziert. Klasse 5, UNS R56400, ist das Arbeitstier der Luft- und Raumfahrt sowie der Industrie. Klasse 23, UNS R56401, ist die Version mit besonders -niedrigen-Interstitiellen, die für medizinische Implantate und kryogene Anwendungen erforderlich ist.

Chemie: Standard und Extra-Low Interstitial

Die interstitiellen Elemente Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff besetzen die Räume zwischen Titanatomen und verstärken die Legierung, indem sie das Gitter verzerren. Grad 5 erlaubt bis zu 0,20 Prozent Sauerstoff und 0,40 Prozent Eisen. Grad 23 begrenzt den Sauerstoffgehalt auf 0,13 Prozent, den Eisengehalt auf 0,25 Prozent und senkt die anderen interstitiellen Werte proportional.

Der Effekt der strengeren Grenzwerte ist in den Eigenschaften sichtbar. Ein geringerer Zwischengittergehalt sorgt für eine höhere Bruchzähigkeit, eine bessere Duktilität und ein langsameres Risswachstum – genau die Eigenschaften, die erforderlich sind, wenn ein Versagen katastrophale Folgen hätte. Der Festigkeitsverlust beträgt nur wenige Prozent, weshalb für die anspruchsvollsten Teile die ELI-Sorte gewählt wird.

Mikrostruktur und Wärmebehandlung

Beide Grade werden im Alpha-Beta-Bereich bearbeitet. Barren werden geschmiedet und zu Knüppeln, Platten, Blechen, Stangen und Rohren gewalzt, und das abschließende Glühen bei etwa 700 bis 800 Grad C erzeugt eine feine, gleichachsige Alpha-Beta-Struktur. Für eine höhere Festigkeit führt eine Lösungsbehandlung bei etwa 955 °C und anschließende Alterung bei 480 bis 595 °C zu einer vergüteten Struktur mit wesentlich höherer Zugfestigkeit.

Der Verarbeitungsweg ist für beide Qualitäten derselbe, weshalb sie häufig in denselben Mühlen hergestellt werden. Der Unterschied liegt in der chemischen Kontrolle der Schmelze und dem Qualitätssystem, wobei Güteklasse 23 eine strengere Überprüfung jeder Schmelze erfordert.

Mechanisches Verhalten

Im geglühten Zustand garantiert die Güteklasse 5 eine Zugfestigkeit von 895 MPa und eine Streckgrenze von 828 MPa bei einer Dehnung von 10 Prozent in Blechform; Klasse 23 garantiert 860 MPa und 795 MPa. Im lösungsbehandelten und gealterten Zustand erreichen beide Qualitäten eine Zugfestigkeit von weit über 1.000 MPa, auf Kosten einer verringerten Duktilität.

Die ELI-Sorte zeichnet sich durch ihre Zähigkeit aus. Die Bruchzähigkeitswerte der Güteklasse 23 sind unter vergleichbaren Bedingungen typischerweise 40 bis 60 Prozent höher als die der Güteklasse 5, und der Vorteil wächst bei niedrigen Temperaturen. Das Ermüdungsverhalten ist vergleichbar, wobei Güteklasse 23 wegen seiner besseren Risswachstumsbeständigkeit manchmal bei Konstruktionen mit hoher Belastung bevorzugt wird.

Bewerbungen jeder Klasse

Note 5 ist die Standardeinstellung für Flugzeugstrukturen, Triebwerkskomponenten, Befestigungselemente, Schiffsausrüstung, Druckbehälter und Leistungsausrüstung. Seine Kombination aus Festigkeit, Kosten und Verfügbarkeit macht es zur ersten Wahl überall dort, wo eine Titanlegierung ohne besondere Anforderungen spezifiziert wird.

Die Güteklasse 23 ist für chirurgische Implantate gemäß ASTM F136, für kryogene Behälter und Rohrleitungen unter niedrigen-Temperaturbedingungen sowie für bruch{{3}kritische Strukturen wie U-Boot-Rümpfe und Tiefsee-Druckgehäuse spezifiziert. Bei diesen Anwendungen ist der Zähigkeitsspielraum und nicht die Festigkeit das Kaufkriterium.

Häufig gestellte Fragen

F: Handelt es sich bei Grad 5 und Grad 23 um die gleiche Legierung?

A: Sie haben dieselbe Grundzusammensetzung wie Ti-6Al-4V, aber Grad 23 schränkt die interstitiellen Elemente stärker ein, um die Zähigkeit und Duktilität zu verbessern.

F: Was ist der Stärkeunterschied?

A: Die geglühte Güteklasse 5 garantiert eine Zugfestigkeit von 895 MPa und eine Streckgrenze von 828 MPa. Klasse 23 garantiert 860 MPa und 795 MPa, etwa vier Prozent niedriger.

F: Warum wird Grad 23 für Implantate verwendet?

A: Die besonders niedrigen interstitiellen Grenzwerte sorgen für die Bruchfestigkeit und das Biokompatibilitätsprofil, die von ASTM F136 für chirurgische Implantate gefordert werden.

F: Können beide Qualitäten wärmebehandelt werden?

A: Ja, beide reagieren auf Lösungsbehandlung und Alterung, wodurch die Festigkeit auf Kosten der Duktilität deutlich über 1.000 MPa steigt.

F: Welche Qualität ist besser für den kryogenen Einsatz geeignet?

A: Sorte 23, deren hohe Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen sie zur Standardwahl für Flüssiggasgeräte macht.

F: Wie werden die Noten identifiziert?

A: Nach UNS-Nummer, R56400 für Klasse 5 und R56401 für Klasse 23, und nach der maßgeblichen Spezifikation im Zertifikat.