Welche Arten von Titanlegierungen gibt es, welche Wärmebehandlungen werden angewendet und wofür werden sie eingesetzt?

Titan und Titanlegierungen übertreffen Aluminium und Aluminiumlegierungen hinsichtlich Festigkeit, Hitzebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Sie finden breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der chemischen Industrie, bei Raketen sowie in Schiffen. Bei hohen Temperaturen wird Titan jedoch extrem reaktiv. Das Schmelzen, Gießen, Schweißen und die Wärmebehandlung müssen daher unter Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre erfolgen. Diese strengen Verarbeitungsbedingungen und die hohen Kosten schränken einen breiteren Einsatz ein.

Handelsreines Titan

Titan ist ein silberweißes Metall mit einem Schmelzpunkt von 1.680 °C und einer Dichte von 4,5 g/cm³. Es ist schwerer als Aluminium, aber leichter als Stahl. Seine Festigkeit ist etwa sechsmal so hoch wie die von Aluminium, wodurch es eine hohe spezifische Festigkeit aufweist. Titan verfügt zudem über eine hohe Duktilität, eine gute Hitzebeständigkeit und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, sodass die thermischen Spannungen bei Hochtemperatureinsatz oder Warmumformung relativ gering sind.

Titan weist eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit gegenüber Schwefelsäure, Salzsäure, Salpetersäure, Natriumhydroxid und anderen alkalischen Lösungen, in feuchten Umgebungen sowie in Meerwasser auf. Gegenüber Flusssäure ist es jedoch nicht beständig. Titan ist in der Atmosphäre stabil, da sich auf seiner Oberfläche eine dichte Oxidschicht bildet, die seinen metallischen Glanz bewahrt. Bei Temperaturen über 600 °C verliert die Schicht jedoch ihre Schutzwirkung.

Titan kommt in zwei allotropen Formen vor. Unterhalb von 882,5 °C ist die stabile Struktur das hexagonal dicht gepackte α-Ti. Zwischen 882,5 °C und dem Schmelzpunkt ist die stabile Struktur das raumzentrierte kubische β-Ti.

Kommerziell reines Titan (CP-Titan) wird entsprechend den zulässigen Gehalten an Interstitial- und Verunreinigungselementen in verschiedene Güteklassen eingeteilt. Diese Verunreinigungen beeinflussen die Festigkeit, die Duktilität und die Korrosionsbeständigkeit. Zu den gängigen Güteklassen im ASTM-System gehören die Klassen 1, 2, 3 und 4, wobei die Quelle die Klasse 2 als eine der am häufigsten verwendeten Güteklassen für allgemeine industrielle Anwendungen identifiziert. Diese Aussage beschreibt das internationale Rahmenwerk für CP-Titan und stellt keine Eins-zu-Eins-Entsprechung zu chinesischen CP-Titan-Güteklassen her.

CP-Titan vereint eine gute Korrosionsbeständigkeit mit mäßiger Festigkeit. Es eignet sich für Bauteile, die keine sehr hohe Festigkeit erfordern, aber korrosionsbeständig sein müssen, darunter Flugzeugaußenhäute und -strukturen, Anlagen für die chemische Verarbeitung, Reaktoren, Wärmetauscher und Meerwasserentsalzungsanlagen.

CP-Titan lässt sich in der Regel nicht durch herkömmliche Wärmebehandlung festigen. Durch Kaltumformung lässt sich seine Festigkeit jedoch erhöhen. Die wichtigsten Wärmebehandlungen sind das Rekristallisationsglühen und das Spannungsarmglühen, durch die die Duktilität wiederhergestellt, Restspannungen abgebaut und die Maßhaltigkeit verbessert werden.

Zusammensetzung, Mikrostruktur, Klassifizierung und Bezeichnungen

Legierungselemente

Titan wird mit Legierungselementen versetzt, um seine Festigkeit zu erhöhen. In α-Ti gelöste Elemente bilden eine α-Feststofflösung, während in β-Ti gelöste Elemente eine β-Feststofflösung bilden. Aluminium, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Bor erhöhen die Umwandlungstemperatur zwischen den Allotropen α und β und werden als α-stabilisierende Elemente bezeichnet. Eisen, Molybdän, Magnesium, Chrom, Mangan und Vanadium senken die Umwandlungstemperatur und werden als β-stabilisierende Elemente bezeichnet. Zinn und Zirkonium haben kaum Einfluss auf die Umwandlungstemperatur und werden als neutrale Elemente betrachtet.

Mikrostrukturelle Klassen

Je nach Einsatzzustand bzw. Glühmikrostruktur werden Titanlegierungen in α-Legierungen, β-Legierungen, (α+β)-Legierungen und Near-α-Legierungen unterteilt, die einen geringen Anteil an β-Phase enthalten. In der chinesischen Legierungsbezeichnung werden für diese drei Hauptlegierungsgruppen die Präfixe TA, TB und TC verwendet, gefolgt von einer Zahl. Je nach Leistungsmerkmalen lassen sich Titanlegierungen auch als Legierungen mit niedriger, mittlerer oder hoher Festigkeit beschreiben.

Wärmebehandlung von Titanlegierungen

Spannungsarmglühen

Beim Spannungsarmglühen werden die durch Bearbeitung oder Schweißen entstandenen inneren Spannungen beseitigt. Als typische Temperatur werden 450 bis 650 °C angegeben, bei einer Haltezeit von 1 bis 4 Stunden und Luftkühlung.

Rekristallisationsglühen

Durch das Rekristallisationsglühen wird die Kaltverfestigung beseitigt. Typische Temperaturen liegen bei 550 bis 690 °C für reines Titan und bei 750 bis 800 °C für Titanlegierungen, mit einer Haltezeit von 1 bis 3 Stunden, gefolgt von einer Abkühlung an der Luft.

Härten und Auslagern

Durch Abschrecken und Auslagern lassen sich Festigkeit und Härte der Legierung erhöhen. α-Titanlegierungen werden in der Regel nicht abgeschreckt und ausgealtert. Bei β-Legierungen und (α+β)-Legierungen mit relativ hohem Gehalt an stabilisierenden Elementen wird die Abschreckungstemperatur üblicherweise im oberen Bereich des α+β-Zweiphasenbereichs gewählt. Die Quelle gibt 760 bis 950 °C, eine Haltezeit von 5 bis 60 Minuten und eine Wasserkühlung an.

Nach dem Abschrecken bleibt ein Teil der α-Phase erhalten, während die β-Phase metastabil wird. Während der Alterung scheidet sich α aus der metastabilen β-Phase aus, wodurch Festigkeit und Härte erhöht werden. Die Mikrostruktur von abgeschrecktem und gealtertem Ti-6Al-4V enthält blockförmiges α+β und nadelförmiges α. Beim Erhitzen müssen Verunreinigungen, Oxidation und Überhitzung vermieden werden. Sind die β-Körner einmal übermäßig gewachsen, kann die ursprüngliche Korngröße durch Wärmebehandlung nicht mehr wiederhergestellt werden.

Gängige Titanlegierungen und ihre Anwendungsbereiche

Alpha-Titanlegierungen

α-Titanlegierungen bestehen vollständig aus einer α-Feststofflösung und weisen daher eine gute Zähigkeit und Duktilität auf. Sie lassen sich kalt zu Halbzeugen wie Blechen und Stangen verarbeiten. Ihre Mikrostruktur ist bei hohen Temperaturen stabil und zeichnet sich durch eine gute Oxidationsbeständigkeit sowie Warmfestigkeit aus. Bei 500 bis 600 °C ist ihre Festigkeit die höchste unter den drei Hauptklassen der Titanlegierungen, obwohl ihre Festigkeit bei Raumtemperatur im Allgemeinen geringer ist als die von β- und (α+β)-Legierungen. Eine repräsentative Legierung ist Ti-5Al-2,5Sn, die für Treibstofftanks von Raketen und Turbinengehäuse von Überschallflugzeugen verwendet wird.

Beta-Titanlegierungen

Reine β-Titanlegierungen werden in der Industrie selten eingesetzt, da sie eine relativ hohe Dichte, eine geringe Hitzebeständigkeit und eine geringe Oxidationsbeständigkeit aufweisen. Oberhalb von 700 °C werden sie leicht durch Verunreinigungsgase in der Atmosphäre verunreinigt, und ihr Herstellungsprozess ist komplex. Die kubisch-raumzentrierte Struktur sorgt jedoch für eine gute Duktilität, was zur Entwicklung metastabiler β-Titanlegierungen führte. Eine repräsentative Legierung ist Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al. Sie wird im Allgemeinen bei Temperaturen unter 350 °C für stark beanspruchte rotierende Bauteile wie Kompressorschaufeln, Wellen und Scheiben eingesetzt.

Alpha-Beta-Titanlegierungen

(α+β)-Titanlegierungen vereinen die Vorteile von α- und β-Legierungen. Sie zeichnen sich durch eine gute Hitzebeständigkeit und Duktilität aus, lassen sich durch Wärmebehandlung verfestigen und sind vergleichsweise einfach herzustellen. Ti-6Al-4V ist die am häufigsten verwendete Legierung dieser Gruppe. Sie eignet sich für Motorkomponenten, die eine Hochtemperaturfestigkeit unter 400 °C erfordern, sowie für Bauteile von Flüssigwasserstoff-Tanks, die bei niedrigen Temperaturen in Raketen und Flugkörpern zum Einsatz kommen.

Typische Beispiele hierfür sind Turbolader aus Titanlegierungen für Automobilmotoren und präzisionsgeschmiedete Schaufeln für Flugzeugtriebwerke.

Typische Zusammensetzungen, Eigenschaften und Verwendungszwecke