Entwerfen von Teilen aus Titanlegierung: Festigkeit, Steifigkeit und Bearbeitbarkeit

Beginnen Sie mit der Neigung, nicht mit der Geometrie

Titanlegierungsteile versagen weitaus häufiger aus Kostengründen als im Betrieb, und die Ursache liegt meist in einer Konstruktion, die das Material außer Acht lässt, und nicht in einer Konstruktion, die die Belastung außer Acht lässt. Titan und seine Legierungen bieten eine hohe spezifische Festigkeit, hervorragende Korrosionsbeständigkeit und eine Dichte von etwa 4,43 bis 4,51 g/cm3, bringen aber auch eine geringe Wärmeleitfähigkeit, einen im Vergleich zu Stahl niedrigen Elastizitätsmodul, eine starke Neigung zum Abrieb und einen Anschaffungspreis mit sich, der um ein Vielfaches höher ist als der von Edelstahl in derselben Form. Ein praktikabler Entwurf berücksichtigt alle diese Fakten, bevor die erste Skizze veröffentlicht wird.

Die Ausgangsentscheidung ist die Notenwahl. Kommerziell reine Güteklasse 2 und Güteklasse 4 eignen sich für korrosionsbedingte Teile und chemische Dienstleistungen; Sorte 5 (Ti-6Al-4V) bietet die höchste Festigkeit der gängigen Knetgüten mit einer Mindestzugfestigkeit von 895 MPa und einer Mindeststreckgrenze von 828 MPa im geglühten Zustand bei einer Mindestdehnung von 10 %; Güteklasse 9 (Ti-3Al-2,5V) liegt mit einer Mindestzugfestigkeit von 620 MPa und einer Mindeststreckgrenze von 483 MPa bei 15 % Mindestdehnung zwischen den beiden und ist leichter zu formen und zu schweißen als Güteklasse 5; Klasse 12 bietet eine bessere Beständigkeit in leicht reduzierenden chemischen Umgebungen. Stangen und Knüppel werden nach ASTM B348 bestellt, Bleche und Platten nach ASTM B265, Rohre nach ASTM B337 oder ASTM B338.

Festigkeit, Steifheit und Spannungskonzentration

Das entscheidende Merkmal des Titandesigns ist die Lücke zwischen Festigkeit und Steifigkeit. Die Streckgrenze der Güteklasse 5 beträgt über 800 MPa, ihr Elastizitätsmodul beträgt jedoch nur etwa 114 GPa, etwa halb so viel wie der von Stahl. Ein Titanteil verformt sich daher bei gleicher Belastung etwa doppelt so stark wie ein geometrisch identisches Stahlteil, und bei der Konstruktion ist häufig die Steifigkeit und nicht die Festigkeit ausschlaggebend.

Entwerfen Sie zuerst die Steifigkeit und prüfen Sie dann die Festigkeit. Eine Erhöhung der Abschnittsdicke ist eine schlechte Lösung, da dadurch auch die Masse zunimmt, was normalerweise der Grund für die Wahl von Titan ist.

Verwenden Sie geschlossene Abschnitte, Flansche, Rippen oder Schalenformen, um das zweite Flächenträgheitsmoment zu erhöhen, anstatt die Wandstärke zu erhöhen.

Vermeiden Sie abrupte Abschnittswechsel und scharfe Innenecken. Titan ist kerbempfindlich und ein in Stahl tolerierbarer Spannungskonzentrationsfaktor kann die Ermüdungslebensdauer halbieren.

Halten Sie die lokale Steifigkeit im Gleichgewicht. Ein starrer Vorsprung neben einem dünnen Steg konzentriert die Spannung im Steg und führt bei Vibration zu einer frühen Rissbildung.

Bedenken Sie, dass Titanteile aufgrund des niedrigen Moduls anfälliger für Knicken und Rattern während der Bearbeitung sind, was bei der Spannvorrichtung und nicht bei der Zeichnung berücksichtigt werden muss.

Thermisches Verhalten und Dimensionsstabilität

Titan dehnt sich mit etwa 8,6 bis 9,2 Mikrometern pro Meter pro Grad Celsius aus, ähnlich wie Edelstahl, aber deutlich weniger als Aluminium, und seine Festigkeit hält bei handelsüblichen Sorten bis zu etwa 300 Grad Celsius und bei legierten Sorten darüber. Für das Design ergeben sich daraus drei Konsequenzen.

Berechnen Sie bei Baugruppen, die Titan mit Aluminium oder Stahl mischen, die unterschiedliche Ausdehnung bei der maximalen Betriebstemperatur und sorgen Sie für Spiel, Langlöcher oder nachgiebige Befestigung, wo sich die Fehlanpassung ansammelt.

Bearbeitungstoleranzen müssen Verzerrungen berücksichtigen. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Titan konzentriert sich die Wärme an der Schneidkante und in dünnen Wänden und Teile können sich nach dem Lösen der Halterung bewegen.

Durch Bearbeitung oder Schweißen verursachte Restspannungen sollten vor der endgültigen Bearbeitung kritischer Abmessungen durch Spannungsarmglühen abgebaut werden, andernfalls bleibt das Teil im Laufe der Zeit möglicherweise nicht innerhalb der Toleranz.

Vermeiden Sie die Entwicklung dünner Titanstege, die direkt in einem Wärmepfad liegen, es sei denn, der Wärmegradient wurde modelliert; Durch die geringe Leitfähigkeit bleibt eine Seite heiß und die andere kühl, und der daraus resultierende Gradient führt zu Verformungen.

Bearbeitbarkeit und Design für die Fertigung

Titan ist etwa eine Größenordnung weniger leitfähig als Stahl, so dass die Schneidwärme nicht in den Span und das Werkstück entweichen kann; Durch den gleichen niedrigen Modul kann das Teil vom Werkzeug weggedrückt werden. Designentscheidungen, die den Bearbeitungsaufwand reduzieren, senken somit direkt die Kosten.

In der Werkstatt wird Titan mit scharfen Hartmetall- oder Keramikwerkzeugen mit positivem Spanwinkel, großzügigem Kühlmittelfluss oder hohem{1}Druck durch-Werkzeugkühlmittel, moderaten Schnittgeschwindigkeiten und gleichmäßigem Vorschub geschnitten, um Reibung und Kaltverfestigung zu vermeiden. Lassen Sie das Werkzeug niemals im Schnitt verweilen. Geben Sie eine Konstruktion an, die eine stabile Werkstückspannung ermöglicht, da Vibrationen die Hauptursache für eine schlechte Oberflächengüte und eine kurze Werkzeuglebensdauer sind.

Korrosion, galvanische Kopplung und Wasserstoff

Titan widersteht Meerwasser, Chloriden, oxidierenden Säuren und den meisten Industrieatmosphären durch einen passiven Oxidfilm, aber dieser Film bietet keinen universellen Schutz. Flusssäure, konzentrierte heiße reduzierende Säuren und trockenes Chlor greifen Titan an, und die Spaltgeometrie bei stagnierendem Chloridbetrieb sollte überprüft werden, auch wenn Titan in Spalten eine bessere Leistung erbringt als Edelstahl.

Isolieren Sie Titan im Nassbetrieb von Kohlenstoffstahl, Edelstahl und Graphit oder steuern Sie das Flächenverhältnis so, dass die Anodenfläche des Titans klein und die Kathodenfläche groß ist.

Verwenden Sie Titanbefestigungen mit Titan- oder isolierten Gegenstücken, um galvanische Korrosion an Verbindungen zu verhindern, die der Meeresatmosphäre ausgesetzt sind.

Begrenzen Sie die Dauerbetriebstemperatur in wasserstoffhaltigen oder feuchten Umgebungen, da die Aufnahme von Wasserstoff Titan versprödet. Zusammensetzungsgrenzen von maximal 0,015 % Wasserstoff für kommerziell reine Qualitäten sind die relevante Kontrolle.

Geben Sie Beizen oder Eloxieren an, wenn das Teil stark gehandhabt oder mit hoher Kontaktbeanspruchung in Betrieb genommen wird, da Oberflächenverunreinigungen und Eisenflecken die Korrosionsleistung verringern.

Schweißbarkeit, Verbindung und Oberflächenbehandlung

Legierungen der Güteklasse 5 und andere Alpha{1}}Beta-Legierungen sind schwieriger zu schweißen als handelsübliche Güten: Sie benötigen einen Schutzgasschutz auf beiden Seiten, eine sorgfältige Wärmezufuhr und häufig eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen, und die Schweißzone verliert im Vergleich zum Grundmetall an Duktilität. Wenn das Schweißen im Mittelpunkt der Konstruktion steht, ist Güteklasse 9 oder handelsübliche Güteklasse 2 die wirtschaftlichere Wahl.

Für Verbindungen, die nicht geschweißt werden dürfen, sind mechanische Befestigung, Löten in kontrollierter Atmosphäre oder Kleben mit einer ordnungsgemäß vorbereiteten Oberfläche die Alternativen, und jede legt ihre eigenen Gestaltungsregeln für Randabstand, Lochmuster und Oberflächenvorbereitung fest. Zu den Oberflächenbehandlungen, die spezifiziert werden sollten, gehören Beizen, um die durch Warmbearbeitung oder Schweißen entstandene Alphaschicht zu entfernen, Eloxieren für Verschleißfestigkeit und Identifizierung, Kugelstrahlen, um Druckspannung in ermüdungskritischen Kehlen einzuführen, und Nitrieren nur dort, wo Verschleiß den Verlust an Korrosionsbeständigkeit rechtfertigt.

Kosten und Lebensdauer-Zyklusökonomie

Titanteile sollten sich über die gesamte Lebensdauer der Ausrüstung und nicht über den Anschaffungspreis rechtfertigen. Der Materialaufschlag wird in der Regel durch den Wegfall von Korrosionszuschlägen, geringere Wartung, längere Inspektionsintervalle und, bei rotierenden oder hin- und hergehenden Geräten, geringere massebedingte Belastungen ausgeglichen. Zu den praktischen Regeln, die die Prämie unter Kontrolle halten, gehören die Verwendung der niedrigsten Sorte, die den Belastungs- und Korrosionsfall erfüllt, die Konsolidierung von Teilen zum Entfernen von Befestigungselementen und Verbindungen sowie die Festlegung von Standardlagergrößen.

Häufig gestellte Fragen

F: Was ist der wichtigste Designaspekt für Titanlegierungsteile?
Steifheit statt Stärke. Da der Elastizitätsmodul etwa halb so hoch ist wie der von Stahl, bestimmt in der Regel die Durchbiegung die Konstruktion. Daher muss die Querschnittsgeometrie so gewählt werden, dass Steifigkeit ohne zusätzliche Masse erreicht wird.

F: Warum ist Titan schwierig zu bearbeiten und was sollte die Zeichnung widerspiegeln?
Eine niedrige Wärmeleitfähigkeit fängt die Schnittwärme an der Kante ein und der niedrige Modul führt dazu, dass sich das Teil durchbiegt, was zu Rattern, Abrieb und schnellem Werkzeugverschleiß führt. Die Zeichnung sollte tiefe, schmale Taschen vermeiden, das Verhältnis von Tiefe zu Breite gering halten und enge Toleranzen nur für Funktionsflächen vorsehen.

F: Wie sollte ein Titanteil vor galvanischer Korrosion geschützt werden?
Isolieren Sie es im Nassbetrieb mit isolierenden Unterlegscheiben, Buchsen oder Beschichtungen von Stahl, Edelstahl und Graphit und vermeiden Sie Konstruktionen, bei denen ein großer Kathodenbereich einem kleinen Titanbereich gegenübersteht, was den Angriff beschleunigt.

F: Welche Titansorte lässt sich am einfachsten formen und schweißen?
Kommerziell reines Ti-3Al-2,5V der Güteklasse 2 und 9 ist am fehlerverzeihendsten. Klasse 5, Ti-6Al-4V, bietet die höchste Festigkeit, erfordert jedoch eine strengere Prozesskontrolle beim Schweißen und Formen.

F: Muss Titan nach dem Schweißen einer Wärmebehandlung unterzogen werden?
Bei handelsüblichen Qualitäten ist dies im Allgemeinen nicht der Fall, vorausgesetzt, die Schweißnaht ist ordnungsgemäß abgeschirmt und gereinigt. Alpha-Beta-Legierungen wie Grad 5 profitieren in der Regel von einer Spannungsentlastung oder einem Glühen nach dem Schweißen, und das Verfahren sollte für die jeweilige Verbindung geeignet sein.

F: Wie können die Materialkosten eines Titanteils gesenkt werden?
Durch die Auswahl der niedrigsten geeigneten Güteklasse, durch die Entwicklung nahezu endkonturnaher Formen, sodass weniger Metall zu Spänen wird, durch die Konsolidierung von Baugruppen zur Reduzierung von Verbindungen und Befestigungselementen, durch die Verwendung von Standard-Lagergrößen und durch die Lockerung von Toleranzen und Oberflächenbeschaffenheiten, die funktionell nicht erforderlich sind.

F: Welche Standards gelten für Titanstangen, -platten und -rohre?
ASTM B348 für Stangen und Knüppel, ASTM B265 für Bleche, Streifen und Platten, ASTM B337 für nahtlose Rohre und ASTM B338 für geschweißte Rohre, wobei die entsprechenden ASME SB-Bezeichnungen für Druckgeräte verwendet werden.