Welche Titanlegierungssysteme kommen in der Luft- und Raumfahrt zum Einsatz?

Die Entwicklung von Titanlegierungen begann in der Luftfahrt und entwickelte sich im Zuge des Bedarfs der Branche an leichteren, festeren und hochtemperaturbeständigen Bauteilen weiter. Titansysteme für die Luft- und Raumfahrt lassen sich in vier Gruppen einteilen: hochfeste und hochzähe Legierungen, Hochtemperaturlegierungen, feuerbeständige Legierungen und Verbundwerkstoffe mit Titanmatrix.

Titanlegierungen mit hoher Festigkeit und hoher Zähigkeit

Legierungen mit einer Zugfestigkeit von über 1000 MPa und einer Bruchzähigkeit von über 55 MPa·m^1/2 werden hier im Allgemeinen als hochfeste und hochzähe Titanlegierungen behandelt. Ti-Al-Mo-V-Cr ist ein Hauptlegierungssystem. Ti-1023 wurde im Fahrwerk der Boeing 777 und in den Hauptfahrwerksstreben des A380 verwendet; Timetal 555 wurde für das Fahrwerk und die Drehgestellträger der Boeing 777 verwendet. Das russische BT22 kam in großen tragenden Flugzeugzellen- und Fahrwerkskomponenten von Flugzeugen wie der Su-27 und der Il-76 zum Einsatz.

Bei Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al werden Mo, V und Cr zur Stabilisierung der Beta-Phase eingesetzt. Eine Erhöhung dieser Zusätze kann die Duktilität verbessern; nach der Wärmebehandlung kann die Zugfestigkeit 1100–1200 MPa erreichen. Es weist nach der Lösungsglühung eine gute Kaltumformbarkeit und nach der Lösungsglühung und Alterung ein gutes Verhältnis zwischen Festigkeit und Duktilität auf. Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al enthält weniger Cr und weist einen Gehalt an Beta-Stabilisatoren nahe der kritischen Konzentration auf, wodurch es Eigenschaften von Alpha-Beta- und metastabilen Beta-Legierungen vereint. Nach der Wärmebehandlung kann es eine Zugfestigkeit von 1110 MPa und eine Elastizität von 70,5 MPa·m erreichen.^1/2 Bruchzähigkeit für Strukturen in der Luft- und Raumfahrt.

Hochtemperatur-Titanlegierungen

Hochtemperatur-Titanlegierungen sind entscheidende Werkstoffe für Flugzeugtriebwerke. Ti-6Al-4V, die erste weit verbreitete Legierung, wird bei Temperaturen um 300–350 °C eingesetzt und vereint Warmfestigkeit, Duktilität, Zähigkeit, Formbarkeit und Biokompatibilität. Spätere Legierungen wie IMI550, BT3-1 und IMI685 verbesserten die Zug- und Kriechfestigkeit und erhöhten die Betriebstemperatur auf bis zu 400 °C. Siliziumzusätze und die Entwicklung von Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si führten zu IMI834, Ti-1100, BT36 und anderen Legierungen, die teilweise durch Alpha-Phasen verstärkt sind.₂. IMI834, das im Vereinigten Königreich und in Trent-700-Triebwerken weit verbreitet ist, erreicht etwa 600 °C.

Typische US-Legierungen

Typische britische Legierungen

Typische russische und chinesische Legierungen

Unterhalb von 600 °C können diese Legierungen Baustahl, Aluminium und Nickel-Superlegierungen hinsichtlich der spezifischen Festigkeit, der spezifischen Kriechfestigkeit und der spezifischen Ermüdungsfestigkeit übertreffen. Der Ersatz von Nickel durch Titan bei gleicher Festigkeit und Einsatztauglichkeit kann die Masse um den Faktor 1,7 reduzieren. Triebwerke mit hohem Schub-Gewichts-Verhältnis erfordern zudem Blisks, Blings, geschweißte Konstruktionen sowie Ti₂AlNb, TiAl und faserverstärkte Titan-Verbundwerkstoffe.

Bei Mach 6 können die Temperaturen an der Oberfläche eines Flugzeugs 650 °C überschreiten, was den Bedarf an hitzebeständigen Außenhäuten, Tragwerken, Triebwerken und Flugzeugkomponenten erhöht. Die Entwicklung konzentriert sich daher auf Kriechfestigkeit, Bruchlebensdauer, Ermüdungsfestigkeit, thermodynamische Stabilität, Oxidationsbeständigkeit und Beständigkeit gegen thermisch induzierte Korrosion.

Die langfristige Betriebstemperatur ist von etwa 350 °C bei Ti-6Al-4V auf etwa 600 °C gestiegen. Dieser Wert wird häufig als thermische Grenze für herkömmliche Titanlegierungen angesehen, weshalb TiAl und mit Siliziumkarbidfasern verstärkte Titanverbundwerkstoffe oberhalb dieser Grenze an Bedeutung gewinnen. Bei den beschriebenen Legierungskonzepten für 650 °C werden den Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-Systemen Hf, Nb und Ta zugesetzt. Der Gehalt an Seltenerdelementen sollte unter 0,1 at.% bleiben; höhere Zusätze erfordern eine Pulvermetallurgie mit schneller Erstarrung. Eine vollständig lamellare Struktur erfordert eine Beta-Wärmebehandlung.

Verbrennungsbeständige Titanlegierungen

Titan macht mittlerweile etwa ein Drittel der Strukturmasse vieler moderner Gasturbinentriebwerke aus, doch herkömmliche Legierungen können sich unter dem Einfluss von Temperatur, Druck, Luftstrom und Reibung entzünden. Ein Brand kann sich innerhalb von nur 4 bis 20 Sekunden von einer lokalen Verbrennung an der Schaufelspitze oder Hinterkante zu einem 360°-Durchbrennen des Gehäuses ausbreiten.

Feuerbeständige Legierungen widerstehen der Entzündung oder der Flammenausbreitung. Die Legierung C (Ti-35V-15Cr) wird in den Statorschaufeln, Innenringen und Düsenklappen des Hochdruckkompressors des F119-Triebwerks verwendet. Die Legierung C+ enthält zusätzlich Si und C zur Erhöhung der Kriechfestigkeit. Ti40 (Ti-25V-15Cr-0,2Si) ist für den Langzeitbetrieb bei etwa 500 °C ausgelegt, verliert jedoch oberhalb von 510 °C an Kriechfestigkeit und sollte daher nicht über 520 °C eingesetzt werden. TF550, basierend auf Ti-35V-15Cr-Si-C, hat eine Dichte von 5,33 g/cm³ sowie ein brauchbares Kriech- und Bruchverhalten bei 550 °C.

Ti-V-Cr-Systeme

V und Cr können vor der Verbrennung ein dichtes Schutzoxid bilden, die Wärmeabgabe durch flüchtige Produkte verringern, die Schmelztemperatur senken und die Wärmeverteilung verbessern. Die Legierung C ist eine Beta-Legierung mit einer Nennzusammensetzung von 50Ti-35V-15Cr und einer Dichte von etwa 5,34 g/cm³. Die Legierung C+ besteht aus Ti-35V-15Cr-0,6Si-0,05C. Diese Systeme sind nach wie vor teuer, schwer zu schmelzen und unterhalb der Schmelztemperatur nicht besonders leitfähig; die Wärmeleitfähigkeit von Ti40 steigt erst in der Nähe oder oberhalb der Schmelztemperatur um das Zwei- bis Dreifache an, sodass die Feuerbeständigkeit nicht allein durch die schnelle Wärmeableitung erklärt werden kann.

Ti-Al-Cu-Systeme

Ti-Cu-Legierungen bilden ein Ti mit niedrigem Schmelzpunkt₂Kupfer schmilzt bei etwa 990 °C. Beim Schmelzen wird Wärme aufgenommen, und die Schmierung durch die Schmelze verringert Reibung und Wärmeentwicklung. Die russische Legierung BTT-1 (Ti-13Cu-4Al-4Mo-2Zr) ist bis etwa 450 °C einsetzbar und lässt sich gut im Warmumformverfahren zu komplexen Bauteilen verarbeiten. BTT-3 (Ti-18Cu-2Al-2Mo) weist eine bessere Duktilität und Brandbeständigkeit auf und eignet sich für Bleche und Folien; beide Legierungen weisen jedoch eine begrenzte Zähigkeit auf, neigen zu Rissbildung und können beim Schmelzen Schrumpfung entwickeln.

Ti-Nb-Systeme

Handelsübliches Ti-45Nb wird für Autoklaven verwendet. Bei Zugentzündungsprüfungen unter Überlast brannte es bei 250 °C und 3,1 MPa in reinem Sauerstoff nicht und zeigte zudem eine gute Korrosionsbeständigkeit, obwohl seine hohe Dichte den Einsatz einschränkt.

TiAl-Intermetallide

TiAl-Intermetallverbindungen vereinen geringe Dichte, hohen Elastizitätsmodul, Oxidationsbeständigkeit und Feuerbeständigkeit bei einer angegebenen maximalen Betriebstemperatur von bis zu 1040 °C; ihre Sprödigkeit bei Raumtemperatur erschwert jedoch die Verarbeitung. Das Ti-Al-System umfasst Ti₃Al, TiAl und TiAl₃. Im Temperaturbereich von 700 bis 850 °C weist TiAl eine höhere spezifische Festigkeit auf als herkömmliche Titan- und Nickel-Superlegierungen und eine um etwa 50% höhere spezifische Steifigkeit als gängige Werkstoffe für Triebwerksbauteile.

Die von GE entwickelten Gamma-TiAl-Schaufeln ersetzten die Schaufeln aus einer Nickel-Superlegierung in den Stufen 6 und 7 der GEnx-Niederdruckturbine der Boeing 787 und ermöglichten so eine Gewichtsreduzierung um bis zu 72,5 kg. Nb-TiAl wird zudem in Turboladern für Kraftfahrzeuge eingesetzt und wird derzeit für Bauteile mit Betriebstemperaturen von 700–900 °C entwickelt.

Verbundwerkstoffe mit Titanmatrix

Kontinuierliche SiC-faserverstärkte Verbundwerkstoffe mit Titanmatrix bestehen aus SiC-Fasern mit Wolfram- oder Kohlenstoffkern in Titan- oder TiAl-Matrizen. Sie vereinen eine hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit, eine geringe Dichte, Kriech- und Ermüdungsbeständigkeit sowie eine Einsatzfähigkeit bei 600–800 °C über lange Zeiträume und kurzzeitig bei 1000 °C. Ein Ring mit integrierten Schaufeln kann die Masse des Kompressors im Vergleich zu separaten Schaufeln und einer Scheibe um etwa 70% reduzieren.

SiC_f/Ti ist anisotrop: Die Längszugfestigkeit kann die der Matrix um mehr als das Doppelte übersteigen, während die Querfestigkeit nur halb so groß sein kann wie die der Matrix. Dies eignet sich für gerichtlich belastete Bauteile, Turbinenwellen, Zugstangen, Kolbenstangen, Verkleidungen und Federn.

Beim heißisostatischen Pressen oder Vakuum-Heißpressen müssen die Grenzflächenreaktion, die Verdichtung des Vorläuferdrahts und die Diffusionsverbindung mit dem Gehäuse kontrolliert werden. Die Eigenschaften der Fasern, Beschichtungen, die Qualität des Vorläufermaterials, die Laminierung, die Umformung und die Bearbeitung beeinflussen das endgültige Verhalten. SiC mit Ti-1100-Matrix_f/Berichten zufolge haben die Ti-Blings bei einer strukturellen Massenreduktion von etwa 50% Temperaturen von 700–800 °C erreicht.

Ausblick

Zukünftige Luft- und Raumfahrtsysteme erfordern eine höhere Festigkeit, Zähigkeit, Schadenstoleranz, Temperaturbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit sowie geringere Kosten. Zu den Prioritäten zählen schadenstolerante Legierungen, ermüdungsbeständige Strukturlegierungen, fortschrittliche TiAl-Werkstoffe sowie Verbundwerkstoffe mit Titanmatrix, die durch schnelle Erstarrung, Pulvermetallurgie oder durch Fasern und Partikelverstärkung hergestellt werden.

Die Entwicklung von Verbundwerkstoffen erfordert nach wie vor eine verbesserte Stabilität, statistisch zuverlässige Eigenschaftsdaten, eine genaue Charakterisierung, die Vorhersage von Versagen und Lebensdauer, zerstörungsfreie Prüfungen im Mikrobereich, eine konzentrische Prozesssteuerung, Konstruktionskriterien, Qualifizierungsmethoden, stabile Faser- und Matrixchargen, Hochtemperaturbeschichtungen, Produktionseffizienz sowie Bauteilspezifikationen.