Klassifizierung, Eigenschaften und Anwendungen von Titanlegierungen:

Titan ist eines der stärksten Metalle. Aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit wird es häufig verwendet. Viele Hersteller verwenden reines Titan mit anderen Legierungselementen. Dieses Metall ist jedoch das am wenigsten verstandene. Die Menschen sind sich der Klassifizierung, Eigenschaften und Anwendungen von Titanlegierungen nicht bewusst.

 

Obwohl Titan ein hervorragendes Material ist, bleibt es ein Rätsel. Der Hauptgrund dafür ist seine Seltenheit und sein hoher Preis. Die Hersteller verwenden es nicht in routinemäßigen Herstellungsprozessen. Dieses Material hat jedoch hervorragende Eigenschaften und Verwendungsmöglichkeiten.

 

Eine der herausragenden Eigenschaften von Titan ist seine Festigkeit und sein geringes Gewicht. Daher ist seine Verwendung in der Luft- und Raumfahrtindustrie Standard. Hersteller verwenden ihre Legierungen auch, um gewünschte Eigenschaften zu erzielen. Lassen Sie uns die Breite dieses bemerkenswerten Metalls im Detail untersuchen.

 

Überblick über Titan und seine Legierungen

Titan ist ein sehr leichtes und einzigartiges Metall. Es ist das neuntgrößte Material in unserer Erdkruste. Die Beliebtheit des Metalls beruht jedoch auf seiner Robustheit und Rostbeständigkeit. Teile aus diesem Material können salzigen und feuchten Bedingungen standhalten.

 

Es ist wichtig zu beachten, dass Titan kein neues Metall ist. Es entstand erstmals 1791. Der britische Mineraloge William Gregor war der erste, der daran arbeitete. Die Entdeckung von Titan ist mit der Arbeit von William Gregor verbunden. Titan wurde gefunden, aber seine Menge war gering.

 

Anders als Magnesium oder Aluminium ist Titan nicht im Überfluss vorhanden. Die Titanlegierungen waren nicht sofort bekannt. In den 1940er Jahren wurde eine Titanlegierung namens Ti-6Al-4V hergestellt. Dies zeigt, wie lange es dauerte, nach der Entdeckung von reinem Titan Legierungen zu finden. Dennoch war es eine bedeutende Entdeckung, die viele Hersteller begeisterte.

 

Wie ich bereits sagte, hat Titan viele wertvolle Eigenschaften, die es auszeichnen. Zu diesen Eigenschaften gehören Festigkeit, geringes Gewicht und Rostschutz. Aus diesem Grund verwenden Hersteller Titan in der Luft- und Raumfahrt sowie im Automobilbau sehr stark. Aufgrund seines Rostschutzes wird es auch häufig in der Schifffahrtsindustrie verwendet. Titanlegierungen sind in verschiedenen Branchen zu einem begehrten Rohstoff geworden.

 

Eigenschaften von Titanlegierungen

Die Leistung von Titan wird durch seinen Verunreinigungsgehalt bestimmt. Reines Titan unterscheidet sich von unreinem Titan. Verunreinigungen können Kohlenstoff, Stickstoff, Wasserstoff oder Sauerstoff sein. Ebenso variieren die Eigenschaften von Titanlegierungen.

 

Das reinste Titaniod enthält nicht mehr als 0,1 % Dao. Seine Festigkeit und Plastizität sind jedoch gering. Das industriell reine Titan mit 99,5 % weist die folgenden Eigenschaften auf:

 

• Dichte ρ = 4,5 g/Kubikzentimeter
• Schmelzpunkt 1725 °C
• Wärmeleitfähigkeit λ = 15,24 W/(mK)
• Zugfestigkeit σb = 539 MPa
• Dehnung δ = 25 %, Härte HB195
• Querschnittsschrumpfung ψ = 25 %
• Elastizitätsmodul E = 1,078 × 105 MPa

 

Diese Eigenschaften gelten nur für reines Titan. Jede Eigenschaft weicht ab, wenn Sie eine Legierung durch Hinzufügen eines weiteren Elements herstellen. Hersteller verwenden diese Legierungen, um die gewünschten Eigenschaften für ihre Arbeit zu erhalten. Lassen Sie uns tiefer eintauchen und die herausragenden Eigenschaften von Titan besprechen.

 

1- Hohe Festigkeit

 

Die Dichte von Titanlegierungen beträgt etwa 4,51 g/cm³, was nur 60 % von Stahl entspricht. Die Dichte von reinem Titan liegt nahe an der von gewöhnlichem Stahl. Einige hochfeste Titanlegierungen übertreffen die Festigkeit von Baustahllegierungen.

 

Diese Legierungen haben ein höheres Verhältnis von Festigkeit zu Dichte als andere Baumaterialien. Daher können sie Teile mit hoher Einzelfestigkeit, guter Steifigkeit und geringem Gewicht herstellen. Die Triebwerkskomponenten, das Skelett und das Fahrwerk des Flugzeugs verwenden alle Titanlegierungen.

 

2- Hohe thermische Intensität

 

Die Betriebstemperatur ist mehrere hundert Grad höher als die von Aluminiumlegierungen. Sie können die erforderliche Festigkeit auch bei mittleren Temperaturen beibehalten. Sie können lange Zeit bei einer Temperatur von 450 bis 500 °C arbeiten.

 

Die spezifische Festigkeit von Aluminiumlegierungen nimmt bei 150 Grad Celsius erheblich ab. Die Arbeitstemperatur bei der Bearbeitung von Titanlegierungen kann 500 °C erreichen, was sehr hoch ist. Sie ist höher als die von Aluminiumlegierungen, deren Temperatur unter 200 °C bleibt.

 

3- Gute Korrosionsbeständigkeit

Titanlegierungen funktionieren in feuchter Atmosphäre und in Meerwasser. Ihre Korrosionsbeständigkeit ist weitaus besser als die von Edelstahl. Sie sind besonders beständig gegen Lochfraß, Säure und Spannungskorrosion. Doch das ist noch nicht alles, denn Titan ist auch beständig gegen andere Elemente. Dazu gehören Alkalien, Chloride, Chlor, organische Substanzen, Salpetersäure und Schwefelsäure. Seine Korrosionsbeständigkeit ist unübertroffen, was Titan ins Rampenlicht rückt.

 

4- Gute Leistung bei niedrigen Temperaturen

 

Titanlegierungen können ihre mechanischen Eigenschaften bei niedrigen und extrem niedrigen Temperaturen beibehalten. Legierungen wie TA7 haben einen Mangel an interstitiellen Elementen. Sie können sogar bei -253 Grad Celsius eine gewisse Plastizität beibehalten. Aus diesem Grund sind Titanlegierungen ein unverzichtbares Material für Niedertemperaturstrukturen.

 

5- Hohe chemische Aktivität

 

Titan hat unter allen Bedingungen eine hohe chemische Aktivität. Es erzeugt chemische Feststoffreaktionen mit O, N, H, CO, CO2, Wasserdampf und Ammoniak. Wenn der Kohlenstoffgehalt mehr als 0,2 % beträgt, bildet sich in der Titanlegierung hartes TiC. Bei hohen Temperaturen bildet sich durch Reaktion mit N eine harte TiN-Oberflächenschicht.

 

Bei Temperaturen über 600 °C absorbiert Titan Sauerstoff und bildet eine gehärtete Schicht. Der Anstieg des Wasserstoffgehalts erzeugt auch eine Versprödungsschicht. Der Gasabsorptionsprozess kann eine Oberflächenschicht auf eine Tiefe von 0,1–0,15 mm härten. Ihre Härte erhöht sich um 20–30 %. Titan hat eine hohe chemische Affinität und haftet an der Reibungsfläche.

 

6- Geringe Wärmeleitfähigkeit

 

Die Wärmeleitfähigkeit von Titan λ = 15,24 W/(m·K) beträgt etwa 1/4 der von Nickel, 1/5 der von Eisen und 1/14 der von Aluminium. Titanlegierungen haben eine um etwa 50 % niedrigere Leitfähigkeit als Titan. Der Elastizitätsmodul von Titanlegierungen beträgt etwa die Hälfte des Elastizitätsmoduls von Stahl, daher hat es eine geringe Steifigkeit und verformt sich leicht.

 

Es ist nicht für die Herstellung schlanker Stäbe und dünnwandiger Teile geeignet. Die Rückfederung der bearbeiteten Oberfläche beim Schneiden ist sehr groß. Die Frage ist: wie groß? Sie ist etwa 2 bis 3 Mal größer als bei rostfreiem Stahl. Dies führt zu starker Reibung, Adhäsion und adhäsivem Verschleiß an der Werkzeugflanke.

 

Klassifizierung von Titanlegierungen

 

Es gibt grundsätzlich verschiedene Güteklassen von Titanlegierungen. Alle Legierungen fallen jedoch in drei Kategorien: Alpha-, Beta- und Alpha-Beta-Legierungen. Wenn das Legierungselement Sauerstoff oder Aluminium ist, dann ist die Titanlegierung eine Alpha-Legierung.

 

Wenn das Legierungselement Vanadium und Molybdän ist, dann ist die Titanlegierung eine Beta-Kategorie. Die Alpha-Beta-Legierungen liegen in der Mitte zwischen Alpha- und Beta-Legierungen. Jede dieser Kategorien hat unterschiedliche Eigenschaften. Hier ist die Tabelle, die ihre wichtigsten Unterschiede zeigt:

 

Alpha (α)-Legierungen	Beta (β)-Legierungen	Alpha-Beta-Legierungen
Titan mit Elementen wie Aluminium und Sauerstoff.	Legierungselemente wie Vanadium, Molybdän, Chrom.	Es liegt zwischen Alpha und Beta.
Nicht wärmebehandelbar, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit.	Wärmebehandelbar, ausgezeichnete Formbarkeit.	Wärmebehandelbar und ausgewogene Eigenschaften.
Hervorragende Schweißbarkeit und Hochtemperaturbeständigkeit.	Gute Schweißbarkeit, Temperaturbeständigkeit ist niedriger als Alpha.	Mäßige bis hohe Temperaturbeständigkeit.

 

Diese Legierungen werden noch weiter unterteilt. Sie werden viele verschiedene Güteklassen jeder Titanlegierung sehen. Alle diese Güteklassen sind in vielen Branchen üblich. Mir ist jedoch aufgefallen, dass die Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilsektor stark von ihnen abhängig sind. Der Grund dafür ist ihr geringes Gewicht und ihre Robustheit.

 

Vergleichstabelle der in verschiedenen Ländern häufig verwendeten Titan- und Titanlegierungsqualitäten

Numbering	China GB/T	International standard ISO	USA ASTM	Russia TOCT	France NF	Germany DIN	Japan JIS
1	TA1	Grade1	GradeF1	BT1-00	T40	Ti1	Level 1
2	TA2	Grade2	GradeF2	BT1-0	T40	Ti3	Level 2
3	TA3	Grade4A/4B	GradeF3	BT1-0	T40	Ti4	Level 2
4	TA4	Grade3	GradeF4	BT1-0	T40	Ti4	Level 3
5	TC4	TiAl6v4	GradeF5	BT6	TA6V	TiAl6V4	YATB640
6	TC11	–	–	BT9	–	–	–

 

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Material Name	Chinese standard	USA standard
Blech aus Titan und Titanlegierung	GB/T3621	ASTM B265
Stäbe aus Titan und Titanlegierungen	GB/T2965	ASTM B348
Rohr aus Titan und Titanlegierung	GB/T3624	ASTM B337
Rohre aus Titan und Titanlegierungen für Wärmetauscher und Kondensatoren	GB/T3625	ASTM B338
Streifen und Folien aus Titan und Titanlegierungen	GB/T3622	ASTM B265
Kuchen und Ringe aus Titan und Titanlegierungen	GB/T16598	ASTM B381
Draht aus Titan und Titanlegierung	GB/T3623	ASTM B863
Verarbeitete Materialien aus Titan und Titanlegierungen für chirurgische Implantate	GB/13810	ASTM F67
		ASTM F136

Häufig verwendete Titan- und Titanlegierungsqualitäten und chemische Zusammensetzung (GB / T 3620.1-2007)

Alloy grade

Chemische Zusammensetzungsgruppe

Main ingredients/%

Ti

Al

Sn

Mo

V

Cr

Fe

Mn

Zr

Pd

Chinese standard

USA standard

Russia standard

Japan Standard

TA1ELI

Industrielles reines Titan

–

–

–

–

–

–

–

–

–

TA1

GR1

BT1-0

TP270

Industrielles reines Titan

–

–

–

–

–

–

–

–

–

TA1-1

GR1

BT1-00

Industrielles reines Titan

≤0.20

–

–

–

–

–

–

–

–

TA2ELI

Industrielles reines Titan

–

–

–

–

–

–

–

–

–

TA2

GR2

TP340

Industrielles reines Titan

–

–

–

–

–

–

–

–

–

TA3ELI

Industrielles reines Titan

–

–

–

–

–

–

–

–

–

TA3

GR3

TP450

Industrielles reines Titan

–

–

–

–

–

–

–

–

–

TA4ELI

Industrielles reines Titan

–

–

–

–

–

–

–

–

–

TA4

GR4

TP550

Industrielles reines Titan

–

–

–

–

–

–

–

–

–

TC4ELI

Ti-6Al-4VELI

5.5～6.5

–

–

3.5～4.4

–

–

–

–

–

TC4

GR5

BT6

TAP6400

Ti-6Al-4V

5.5～6.75

–

–

3.5～4.5

–

–

–

–

–

TA9

GR7

TP340Pb

Ti-0.2Pd

–

–

–

–

–

–

–

–

0.12～0.25

TA9-1

GR11

Ti-0.3Pd

–

–

–

–

–

–

–

–

0.12～0.26

TA18

GR9

OT4-B

TAP3250

Ti-3Al-2.5V

2.0～3.5

–

–

1.5～3.0

–

–

–

–

–

TA10

GR12

Ti-0.3Mo-0.8Ni

–

–

0.2～0.4

–

–

–

–

–

–

 

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Main ingredients/%					Impurities, not more than/%
Ni	Cu	Nb	Si	B	Fe	C	N	H	O	Other elements
										single	total
–	–	–	–	–	0.1	0.03	0.012	0.008	0.1	0.05	0.2
–	–	–	–	–	0.2	0.08	0.03	0.015	0.18	0.1	0.4
–	–	–	≤0.08	–	0.15	0.05	0.03	0.003	0.12	–	0.1
–	–	–	–	–	0.2	0.05	0.03	0.008	0.1	0.05	0.2
–	–	–	–	–	0.3	0.08	0.03	0.015	0.25	0.1	0.4
–	–	–	–	–	0.25	0.05	0.04	0.008	0.18	0.05	0.2
–	–	–	–	–	0.3	0.08	0.05	0.015	0.35	0.1	0.4
–	–	–	–	–	0.3	0.05	0.05	0.008	0.25	0.05	0.2
–	–	–	–	–	0.5	0.08	0.05	0.015	0.4	0.1	0.4
–	–	–	–	–	0.25	0.08	0.03	0.012	0.13	0.1	0.3
–	–	–	–	–	0.3	0.08	0.05	0.015	0.2	0.1	0.4
–	–	–	–	–	0.3	0.08	0.03	0.015	0.25	0.1	0.4
–	–	–	–	–	0.2	0.08	0.03	0.015	0.18	0.1	0.4
–	–	–	–	–	0.25	0.08	0.05	0.015	0.12	0.1	0.3
0.6～0.9	–	–	–	–	0.3	0.08	0.03	0.015	0.25	0.1	0.4

 

Anwendung von Titanlegierungen

 

Titan wird in unzähligen Anwendungen eingesetzt. Dieses Metall ist robust und korrosionsbeständig. Es bietet viele wertvolle Vorteile, die Hersteller nicht vermeiden können. Sein geringes Gewicht macht es beispielsweise für die Luft- und Raumfahrtindustrie geeignet. Andererseits zeichnet es sich durch seine Rostbeständigkeit in der Schifffahrtsindustrie aus. Lassen Sie uns tiefer eintauchen und die verschiedenen Verwendungsmöglichkeiten von Titanlegierungen besprechen.

 

1- Luft- und Raumfahrtindustrie

 

In der Luft- und Raumfahrtindustrie streben Ingenieure danach, die Aerodynamik zu verbessern. Daher verwenden sie ein leichtes Material. Diese Materialien sind jedoch nicht sehr langlebig. In solchen Fällen ist Titan praktisch. Es ist leicht, stark und langlebig und macht das Flugzeug aerodynamisch perfekt.

 

Hersteller verwenden es zur Herstellung vieler Flugzeugkomponenten. Beispiele hierfür sind Flugzeugrümpfe, Fahrwerke und Flügelstrukturen. Viele Motorkomponenten verwenden auch verschiedene Titanlegierungen. Rotorblätter, Scheiben, Gussteile usw. sind in hohem Maße auf dieses Material angewiesen. Diese Teile können auch hohen Temperaturen standhalten, was sie auszeichnet.

 

2- Medizinindustrie

 

Bei der Diskussion der Eigenschaften habe ich erwähnt, dass Titan für Menschen nicht schädlich ist. Auch wenn es im menschlichen Körper verbleibt, verursacht es keine Toxizität. Hersteller stellen Zahnimplantate aus Titanlegierungen her. Dieses Material zeichnet sich durch seine Fähigkeit aus, sich in lebendes Gewebe zu integrieren. Viele andere medizinische Instrumente verwenden Titanlegierungen.

 

3- Automobilindustrie

 

Titan ist sehr robust und widerstandsfähig gegen hohe Temperaturen. Darüber hinaus ist es leicht und dicht. Dies macht es zu einer idealen Option für den Einsatz in der Automobilindustrie. Die Auspuffanlagen von Fahrzeugen werden aus Titanlegierungen hergestellt.

 

Das Abgassystem bleibt extrem hohen Temperaturen ausgesetzt. Titan widersteht hohen Temperaturen und verschlechtert sich nicht. Dies macht es ideal für den Einsatz in Motorkomponenten. Darüber hinaus verbessert sein geringes Gewicht den Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen.

 

4- Schifffahrtsindustrie

 

Wie ich bereits sagte, verfügt Titan über einen hervorragenden Rostschutz. Es rostet nicht schnell, selbst wenn es unter rauen Bedingungen verwendet wird. Diese Eigenschaft macht Titan zu einer hervorragenden Wahl für die Schifffahrtsindustrie. Schiffsrümpfe, Propeller usw. bleiben in salzigem Meerwasser. Die Verwendung von Titan zur Herstellung dieser Komponenten verhindert also, dass sie lange Zeit rosten.

 

5- Militärische Verteidigungsindustrie

 

Titan ist teuer und wird daher nicht für Panzerungen oder Waffen verwendet. Hersteller verwenden dieses Material jedoch auch für die Herstellung von Militärfahrzeugen. Diese Fahrzeuge sollten zur besseren Sicherheit gegen Sprengsätze resistent sein. Militärfahrzeuge werden außerdem auf unebenen Straßen eingesetzt. Titanlegierungen machen sie daher robust und langlebig. Darüber hinaus verwenden Ingenieure Titan bevorzugt für militärische Kampfjets.

 

Fazit

 

Titanmetall und seine Legierungen werden nicht häufig verwendet. Aufgrund ihres höheren Preises eignen sie sich nur für High-End-Produkte. Ihre erstklassigen Eigenschaften unterscheiden sie jedoch von anderen Metallen. Genau wie Magnesium ist Titan leicht, aber sehr stark und langlebig. In diesem Leitfaden werden alle Eigenschaften von Titan erläutert. Nachdem Sie ihre Anwendungen gelesen haben, wissen Sie, warum viele Branchen Titanlegierungen lieben.