Welche Arten, Eigenschaften und Fehler gibt es bei Titanlegierungsguss?

Gusslegierungen aus Titan werden anhand ihrer geglühten Mikrostruktur in die Typen α, α+β und β unterteilt. Zu ihren nützlichen Eigenschaften zählen eine geringe Dichte, eine hohe spezifische Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit, während das Gussverhalten von der Schmelzfließfähigkeit, der Erstarrungsschrumpfung und der Reaktivität bestimmt wird. Dieser Leitfaden vergleicht die Materialgruppen, die Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften der aufgeführten Güteklassen sowie häufige Gussfehler.

Eigenschaften von Titanlegierungen für den Guss

Titan vereint eine geringe Dichte, hohe Festigkeit, gute Zähigkeit, nichtmagnetisches Verhalten, einen hohen Schmelzpunkt, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie eine hohe Beständigkeit gegen Korrosion und biologische Angriffe. Gusslegierungen aus Titan weisen im Allgemeinen die folgenden zehn Eigenschaften auf.

1. Geringe Dichte, hohe Festigkeit und hohe spezifische Festigkeit

Titan hat eine Dichte von 4,51 g/cm³, etwa 57% so viel wie Stahl. Es ist weniger als doppelt so schwer wie Aluminium, kann aber etwa dreimal so fest sein. In dem hier vorgestellten Vergleich weisen Titanlegierungen eine spezifische Festigkeit auf, die etwa 3,5-mal so hoch ist wie die von Edelstahl, 1,3-mal so hoch wie die von Aluminiumlegierungen und 1,7-mal so hoch wie die von Magnesiumlegierungen. Dies macht sie zu wichtigen Konstruktionswerkstoffen für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt.

2. Hervorragende Korrosionsbeständigkeit

Die Passivität von Titan hängt von seiner Oxidschicht ab. Seine Korrosionsbeständigkeit ist in oxidierenden Medien deutlich besser als in reduzierenden Medien, in denen es zu schneller Korrosion kommen kann. Titan widersteht dem Angriff durch Medien wie Meerwasser, feuchtes Chlor, Chlorit- und Hypochloritlösungen, Salpetersäure, Chromsäure, Metallchloride, Sulfide und organische Säuren.

3. Gute Hitzebeständigkeit

Aluminium verliert im Allgemeinen bei etwa 150 °C seine ursprüngliche Leistungsfähigkeit, Edelstahl bei etwa 310 °C, während Titanlegierungen auch bei Temperaturen nahe 500 °C noch brauchbare mechanische Eigenschaften behalten. Bei etwa Mach 2,7 kann die Oberfläche eines Flugzeugs 230 °C erreichen, wodurch Aluminium- und Magnesiumlegierungen ungeeignet werden können. Titanlegierungen werden in Kompressorscheiben und -schaufeln von Flugzeugtriebwerken sowie in der Außenhaut des hinteren Rumpfteils verwendet.

4. Gute Leistung bei niedrigen Temperaturen

Bei einigen Titanlegierungen, wie beispielsweise Ti-5Al-2,5Sn ELI, steigt die Festigkeit mit sinkender Temperatur, während die Duktilität nur geringfügig abnimmt. Ihre Duktilität und Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen machen sie für den Einsatz in Raketentriebwerken mit flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff sowie in kryogenen Behältern und Tanks für bemannte Raumfahrzeuge geeignet.

5. Nichtmagnetisches Verhalten

Titan ist nichtmagnetisch. Bei der Verwendung in U-Boot-Rümpfen löst es keine Magnetminen aus.

6. Geringe Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit von Titan beträgt etwa ein Fünftel derjenigen von Stahl, ein Dreizehntel derjenigen von Aluminium und ein Fünfundzwanzigstel derjenigen von Kupfer. Die schlechte Wärmeleitfähigkeit stellt bei manchen Anwendungen einen Nachteil dar.

7. Niedriger Elastizitätsmodul

Titan hat einen Elastizitätsmodul, der etwa 55% so groß ist wie der von Stahl. Bei konstruktiven Anwendungen kann dieser relativ niedrige Modul ein Nachteil sein.

8. Zugfestigkeit und Streckgrenze liegen nahe beieinander

Im angeführten Beispiel für Ti-6Al-4V beträgt die Zugfestigkeit 960 MPa und die Streckgrenze 892 MPa, was einer Differenz von nur 68 MPa entspricht.

9. Titan oxidiert bei hohen Temperaturen leicht

Titan weist eine starke Affinität zu Wasserstoff und Sauerstoff auf, weshalb Oxidation und Wasserstoffaufnahme kontrolliert werden müssen. Beim Schweißen ist eine Argon-Schutzgasatmosphäre erforderlich. Titanrohre und -bleche werden unter Vakuum wärmebehandelt, während bei Titanschmiedeteilen eine sorgfältige Kontrolle der leicht oxidierenden Ofenatmosphäre erforderlich ist.

10. Geringe Dämpfungsfähigkeit

Wenn Glocken gleicher Form und Größe aus Titan, Kupfer und Stahl gefertigt und mit derselben Kraft angeschlagen werden, erklingt die Titanglocke länger. Die Aufprallenergie wird langsam abgebaut, was auf eine geringe Dämpfungsfähigkeit hindeutet.

Klassifizierung von Titan-Gusslegierungen

Die unten aufgeführten 12 Titan-Gusswerkstoffe sind nach ihrer geglühten Mikrostruktur gruppiert. Die Bezeichnung „ZT“ steht im chinesischen Bezeichnungssystem für Titan-Gusswerkstoffe. Die zitierten chinesischen nationalen Normen sind GB/T 6614-2014, Gussteile aus Titan und Titanlegierungen, sowie GB/T 15073-2014, Guss aus Titan und Titanlegierungen.

Chemische Zusammensetzung von Titan-Guss und Titanlegierungen

Die folgende Zusammensetzungstabelle basiert auf GB/T 6614-2014; die darin angegebenen Grenzwerte gelten für die hier dargestellten Gussqualitäten und -bedingungen.

Anmerkungen: Sonstige Elemente sind Spurenelemente, die bei der Herstellung von Titan-Gussteilen naturgemäß vorhanden sind; dazu gehören in der Regel Al, V, Sn, Mo, Cr, Mn, Zr, Ni, Cu, Si, Nb und Y, wobei bewusst zugesetzte Legierungselemente der jeweiligen Güteklasse davon ausgenommen sind. Einzel- und Gesamtgrenzwerte für sonstige Elemente werden nur dann analysiert, wenn dies vom Käufer verlangt wird.

Mechanische Eigenschaften von Titan-Gussstücken und Titanlegierungen

Die folgende Tabelle mit den Zusammensetzungen und mechanischen Eigenschaften basiert auf der Norm GB/T 15073-2014; die darin angegebenen Werte sind nicht als allgemeingültige Grenzwerte für alle Titan-Gussprodukte zu verstehen.

1. α-Titanlegierungen. Die geglühte Struktur besteht vollständig aus der α-Phase. Diese Legierungen weisen eine gute strukturelle Stabilität bei hohen Temperaturen auf und bilden die Grundlage für hitzebeständige Titanlegierungen, auch wenn ihre Festigkeit bei Raumtemperatur nicht besonders hoch ist. Auch kommerziell reines Titan ist ein α-Material.
2. α+β-Titanlegierungen. Die geglühte Struktur enthält α- und β-Phasen. Diese Legierungen lassen sich durch Wärmebehandlung verfestigen und weisen eine relativ hohe Festigkeit sowie eine gute Wärmebeständigkeit bei 400–450 °C auf. Bei höheren Temperaturen sind die Strukturstabilität und die Schweißbarkeit schlechter als bei α-Legierungen.
3. β-Titanlegierungen. Die geglühte Struktur ist die β-Phase. Durch Abschrecken und Anlassen lassen sich hohe mechanische Eigenschaften erzielen.

α-Titanlegierungen zum Gießen

Gussteile aus handelsüblichem reinem Titan

Zu den Gussteilen aus handelsüblichem reinem Titan gehören ZTA1 (chinesische CP-Titan-Gusssorte), ZTA2 (chinesische CP-Titan-Gusssorte) und ZTA3 (chinesische CP-Titan-Gusssorte). Die erste dieser Sorten weist den geringsten Verunreinigungsgehalt auf und verfügt daher über eine höhere Duktilität, jedoch eine geringere Festigkeit. Die dritte Sorte enthält mehr Verunreinigungen und weist daher eine höhere Festigkeit, aber eine geringere Duktilität auf. Die Gussstruktur besteht vollständig aus der α-Phase mit groben Widmanstätten-Körnern; durch Glühen entsteht eine gleichachsige Struktur.

Das Gussverhalten ähnelt dem eines reinen Metalls. Die Fließfähigkeit ist gut, der verteilte Schwund ist begrenzt, es können sich konzentrierte Schwundhohlräume bilden, und Heißrisse sind unwahrscheinlich. CP-Titan-Gussteile weisen eine mäßige Festigkeit, gute Duktilität sowie gute Gießbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit auf. Sie können über längere Zeiträume bei 300 °C eingesetzt werden.

Ti-5Al-2.5Sn – gegossene Titanlegierung

Die gegossene Titanlegierung Ti-5Al-2,5Sn ist eine einphasige α-Legierung mittlerer Festigkeit, die 5% Aluminium als α-Stabilisator und 2,5% Zinn als neutrales Element enthält. Sie weist eine gute Festigkeit bei erhöhten Temperaturen sowie eine gute Schweißbarkeit auf. Sie lässt sich nicht durch Wärmebehandlung verfestigen und wird normalerweise im geglühten Zustand verwendet. Die Umformbarkeit ist relativ gering, sodass zum Umformen von Blechen eine Erwärmung erforderlich ist.

Zu den Anwendungsbereichen zählen Gehäusemäntel und Platten. Die angegebenen Betriebstemperaturen für diese Legierung liegen bei bis zu 500 °C im Dauerbetrieb und bis zu 800 °C im Kurzzeitbetrieb.

Ti-0.2Pd – gegossenes Titan

Ti-0,2Pd-Gusstitan ist ein korrosionsbeständiger α-Werkstoff, der durch Zugabe einer geringen Menge Palladium zu handelsüblichem reinem Titan hergestellt wird. Palladium verbessert die Korrosionsbeständigkeit sowohl in reduzierenden als auch in oxidierenden Medien. In heißen, konzentrierten Chloridmedien weist dieser Gusswerkstoff eine besonders hohe Spaltkorrosionsbeständigkeit auf.

Ti-0,2Pd-Titan-Guss hat ähnliche Anwendungsbereiche wie CP-Titan-Gussteile, ist jedoch aufgrund des Palladiumzusatzes teurer; daher wird es gewählt, wenn kommerziell reines Titan die Betriebsanforderungen nicht erfüllen kann. Zu den Anwendungsbereichen zählen Umgebungen mit verdünnter Salzsäure, Schwefelsäure und Phosphorsäure; spaltkorrosionsbeständige Titananlagen; Rohrbündelwärmetauscher; Textilspinndüsen; Flanschauskleidungen in Acetaldehyd-Anlagen; sowie Flansche, Verbindungsstücke und andere spaltbehaftete Bauteile.

Ti-0.3Mo-0.8Ni-Gusslegierung aus Titan

Die gegossene Titanlegierung Ti-0,3Mo-0,8Ni ist eine korrosionsbeständige, nahezu-α-Legierung, die entwickelt wurde, um das Spaltkorrosionsverhalten von reinem Titan zu verbessern. Ihr Mo-Gehalt von 0,3% und ihr Ni-Gehalt von 0,8% verstärken die Legierung und verbessern die Beständigkeit gegenüber heißen Chloridmedien mit niedrigem pH-Wert sowie gegenüber schwach reduzierenden Säuren. Ihre dokumentierte Korrosionsbeständigkeit ist deutlich besser als die von reinem Titan und liegt nahe an der von der Ti-0,2Pd-Gusstitanlegierung. Zudem weist sie eine gute Verformbarkeit und Schweißbarkeit auf und findet breite Anwendung in der chemischen Industrie.

Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V-Titanlegierung für den Guss

Die angegebene Zusammensetzung dieser aluminiumreichen Near-α-Legierung lautet 6,58% Al und 1,46% Mo. Sie vereint die Hochtemperaturfestigkeit und Schweißbarkeit von α-Legierungen mit einer Verformbarkeit, die der von α+β-Legierungen nahekommt. Die angegebene Langzeitbetriebstemperatur beträgt 500 °C für 3.000 Stunden, wobei kurzzeitige Einwirkungen von bis zu 800 °C für höchstens 5 Minuten zulässig sind. Bei 450 °C beträgt die angegebene Lebensdauer 6.000 Stunden.

Zu den Anwendungsbereichen zählen tragende Bauteile und Schweißkonstruktionen, die bei Temperaturen unter 500 °C eingesetzt werden, Triebwerksschaufeln und -gehäuse, Blechteile für Flugzeuge, Träger, Verbindungen, große Platten, geschweißte tragende Rahmen, sonstige Schweißkonstruktionen sowie Gussteile.

Ti-4Al-2V-Titanlegierung für den Guss

Die Titanlegierung Ti-4Al-2V (Guss) weist gute mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur und hohen Temperaturen sowie eine hohe Ermüdungsfestigkeit, Risswachstumsbeständigkeit, Schlagzähigkeit und Korrosionsbeständigkeit in verschiedenen Medien auf. Sie ist schweißbar und lässt sich warm oder kalt umformen.

Zu den Anwendungsbereichen zählen Druckbehälter für Flugkörper und Gehäuse für Raketentriebwerke; Kompressorscheiben, Schaufeln, Distanzstücke, Abschirmungen, Außenhäute, Rippen, Stege, Flügel, Träger, Horizontalstabilisatoren, Rotornaben, Fahrwerke, Stützträger und Radnaben für Flugzeuge; Tragflügelboote, Antriebsanlagen und Munition; sowie Dampfturbinenschaufeln, Axial- und Radialverdichterscheiben, korrosionsbeständige Federn und Pleuelstangen für Verbrennungsmotoren.

α+β-Titanlegierungen für den Guss

Ti-6Al-4V-Titanlegierung in Gussform

Die Titanlegierung Ti-6Al-4V gilt als eine der ältesten und am häufigsten verwendeten Titanlegierungen. Aluminium verstärkt die α-Phase durch Feststofflösung und verbessert die Festigkeit bei Raumtemperatur sowie bei hohen Temperaturen. Vanadium erhöht die Festigkeit und verbessert die Duktilität. Außerdem unterdrückt es die Bildung der α-Phase.₂ geordnete Phase, wodurch das Risiko einer langfristigen Versprödung verringert wird.

Die Legierung vereint umfassende mechanische Eigenschaften mit guten Verarbeitungseigenschaften und superplastischer Formbarkeit. Sie lässt sich durch verschiedene Druckumformverfahren bearbeiten und mit zahlreichen Verfahren schweißen. Zu den gängigen Halbzeugen zählen Stangen, Schmiedeteile, dünne und dicke Bleche, Profile und Draht. Sie wird hauptsächlich im geglühten Zustand verwendet, kann aber auch lösungsgeglüht und gealtert werden.

Zu den Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt zählen Flugzeugträgerbalken, Rahmen, Schienen, Fahrwerksträger, Laufräder und Schaufeln für Gebläse und Kompressoren, Raketengehäuse, Druckbehälter und Befestigungselemente. Durch den Ersatz von 30CrMnSiA-Baustahl lässt sich das Gewicht der Bauteile um etwa 30% reduzieren. Zu den Anwendungen im Bauwesen zählen Gasturbinenschaufeln, Schiffsschrauben, Offshore-Bohrplattformen, korrosionsbeständige Pumpen, medizinische Implantate und Sportartikel. Nicht gegossenes Ti-6Al-4V wird zudem für Fahrzeugrahmen, Kurbelwellen, Pleuelstangen, Schrauben, Einlassventile und Federbeine verwendet.

Ti-6Al-4.5Sn-2Nb-1.5Mo – gegossene Titanlegierung

Diese Legierung vereint hohe Festigkeit, hohe Zähigkeit, Schadenstoleranz und Schweißbarkeit und kann über längere Zeiträume bei Temperaturen unter 500 °C eingesetzt werden. Zu den beschriebenen Anwendungsbereichen gehören Strukturbauteile für die Luft- und Raumfahrt sowie für den zivilen Bereich; Stangen, Schmiedeteile und Grobbleche werden ebenfalls als wichtige Halbzeugformen aufgeführt. Diese umformten Produktformen unterscheiden sich von den in diesem Abschnitt behandelten Gusswerkstoffen.

β-Gusslegierungen aus Titan

Die Beta-Guss-Titanlegierung Ti-32Mo weist eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit auf und lässt sich mit verschiedenen Verfahren schweißen, wird jedoch nicht als wärmebehandelbar zur Festigkeitssteigerung beschrieben. Ihr hoher Molybdängehalt erschwert das Schmelzen und erhöht die Dichte auf 5,69 g/cm³, senkt den Elastizitätsmodul und führt bei Erhitzung an der Luft auf über 500 °C zu starker Oxidation. Es wird daher hauptsächlich für Gusspumpen, Ventile und ähnliche Bauteile verwendet, die starken Säuren ausgesetzt sind.

Gussverhalten und häufige Fehler

Legierungselemente erweitern im Allgemeinen den Erstarrungstemperaturbereich und verringern die Fließfähigkeit. Ein höherer Aluminiumgehalt erhöht jedoch die Kristallisationswärme und kann die Fließfähigkeit verbessern. Durch die Zugabe von 10% Al (nach Masse) steigt die Kristallisationswärme von 327 J/g auf 435 J/g. Die Beta-Titan-Gusslegierung Ti-32Mo enthält 31%-35% Mo, weist ein breites Erstarrungsintervall und eine schlechte Fließfähigkeit auf und ist für dünnwandige Gussteile ungeeignet.

Konzentrierte Schrumpfhohlräume nehmen in handelsüblichem reinem Titan etwa 1% des Volumens ein. Bei einem Gehalt an Legierungselementen von 10% der Masse beträgt der Volumenanteil der konzentrierten Schrumpfhohlräume etwa 0,5%–1,5%. In Legierungen mit einem breiten Erstarrungsbereich können sich während der Erstarrung bildende Schrumpfhohlräume mit Gas aus der verbleibenden Schmelze füllen, wodurch Gasschrumpfhohlräume entstehen. Gussteile aus Titanlegierungen neigen stark zur Bildung dieses Defekts. Auch die verteilte Schrumpfporosität nimmt mit zunehmender Breite des Erstarrungsbereichs zu.

Handelsreines Titan weist eine lineare Schrumpfung von 1,0%–1,1% auf. Die Schrumpfung von Titanlegierungen nimmt mit steigendem Aluminiumgehalt zu. Der niedrige Elastizitätsmodul und der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient sorgen in Verbindung mit einer relativ hohen Festigkeit bei erhöhten Temperaturen dafür, dass Titanlegierungen eine gute Beständigkeit gegen Heißrisse aufweisen. Kaltbrüche an der Oberfläche stehen im Zusammenhang mit Reaktionen zwischen geschmolzenem Titan und der Gussform während des Gießvorgangs oder mit gasförmigen Verunreinigungen an der Gussoberfläche und in Spalten, wodurch sich eine spröde, mit Sauerstoff angereicherte α-Schicht bildet. In dieser spröden Oberflächenschicht entstehen leicht Kaltbrüche.