In Vertiefung

TITAN IST DAS ELEMENT MIT DEM NEUNTHÄUFIGSTEN UND DAS METALL MIT DEM VIERTHÄUFIGSTEN VORKOMMEN (NACH EISEN, ALUMINIUM UND MAGNESIUM) IN DER ERDKRUSTE; BESCHÄFTIGEN WIR UNS NÄHER MIT SEINER GESCHICHTE UND SEINEN EIGENSCHAFTEN.

Im Jahr 1791 entdeckte Pfarrer William Gregor, der in Cambridge seinen Abschluss gemacht hatte und Amateur-Chemiker war, als er den Sand am Fluss Herford untersuchte, ein feines, bisher unbekanntes Material, das wir heute als Ilmenit kennen; es handelt sich um ein Mischoxid aus Eisen und Titan (FeTiO3), das ungefähr 20 % Titan enthält. Vier Jahre später gelang es auch dem deutschen Chemiker Martin H. Klaproth einen bis dato unbekannten Stoff ausfindig zu machen, der heute als Rutil (TiO2) bekannt ist. Er wies nach, dass das Ilmenit von Pfarrer Gregor und das von ihm entdeckte Rutil Minerale (Oxide) des gleichen Metalls waren, das er Titan nannte. Bei der Wahl des Namens ließ er sich vom Mythos der Titanen inspirieren, sechs Kinder von Uranus (Himmel) und Gaia (Erde), die in der griechischen Mythologie von Zeus besiegt und in den Tartaros verbannt.

Von der Entdeckung bis zur Entwicklung eines Verfahrens für die Produktion von reinem Titan verging jedoch mehr als ein Jahrhundert; denn der Produktionsprozess ist sehr komplex, da dieses Metall dazu neigt, mit den in der Atmosphäre vorhandenen Gasen zu reagieren, insbesondere mit Sauerstoff.

Erst im Jahr 1910 gelang es Matthew A. Hunter, eine ausreichend große und reine Menge zu erzeugen, um zu beginnen, die Eigenschaften dieses neuen Metalls zu untersuchen. Der Prozess bestand in der Reduktion von TItantetrachlorid mit Natrium.

Später entwickelte William J. Kroll ein Verfahren, bei dem das Natrium durch Magnesium ersetzt wurde, und 1937 wurde in Sankt Petersburg die ersten beiden Tonnen Titan produziert. Der Kroll-Prozess ist zwar sehr teuer, aber heute noch das meistverwendete Verfahren für die industrielle Produktion von Titan. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass es sich um einen sehr viel weniger effizienten Produktionsprozess als dem für die Stahlerzeugung im Hochofen handelt; dadurch erklären sich die vor allem im Vergleich zu Stahl sehr hohen Kosten für Titankomponenten.

Den wahren Fortschritt in der industriellen Entwicklung des Titanmetalls verdanken wir der amerikanischen Militärindustrie Anfang der 1940er-Jahre und später, zu Beginn des kalten Kriegs, den Russen (ab Anfang der 1950er-Jahre). Titan wurde mehrere Jahrzehnte lang als für die Rüstungsindustrie strategisches Metall betrachtet und von einer relevanten Verbreitung im Zivilbereich faktisch ausgeschlossen.

Das signifikanteste Beispiel dafür ist das Aufklärungsflugzeug Lockheed SR-71, besser bekannt und in die Geschichte eingegangen als „Blackbird“; sein Gewicht besteht zu 93 % aus Titanlegierungen und hat mehrere Rekorde gebrochen, wie z. B. den der größten Geschwindigkeit, die ein bemanntes Flugzeug jemals erreicht hat (3.530 km/h), und den der größten Höhe (fast 26.000 m). Für den Bau dieses Flugzeugs wurden drei verschiedene Titanlegierungen verwendet: Ti-6Al-4V, Ti-5Al-2,5Sn und Ti-13V-11Cr-3Al (auch bekannt als B120VCA).

Aereo Lockheed o "Blackbird"

Abbildung 1: Flugzeug Lockheed SR-71 oder „Blackbird“

Darüber hinaus wurde Titan mindestens drei Jahrzehnte lang (ab Mitte der 1950er- bis Ende der 80er-Jahre) als das Spitzenmaterial der amerikanischen Luft- und Raumfahrtindustrie betrachtet.

Ende der 80er-Jahre, nach Ende des kalten Krieges, wurde Titan nach und nach von den zuvor auferlegten militärischen Beschränkungen befreit; dadurch konnte seine Anwendung in vielen Bereichen entwickelt werden, wie z. B. in der Biomedizin, in der Architektur, in der Chemie, in der Goldschmiedekunst sowie der Einsatz in Infrastrukturen und in Sport- und Freizeitgeräten  (Tennis- und Golfschläger, Fahrradgestelle). Auch in der Automobilbranche und insbesondere für Rennwagen wurde und wird heute noch intensiv an der Entwicklung von Titanlegierungen für verschiedene Komponenten gearbeitet.

PHYSIKALISCHE UND MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN VON TITAN

Titan hat eine Dichte von circa 4,5 g/cm3, also eine höhere Dichte als andere für Strukturen interessante Leichtmetalle wie Aluminium oder Magnesium, aber es ist etwa nur halb so dicht wie Stahl. Titan hat außerdem eine hervorragende Kriech- und Bruchfestigkeit, ein Elastizitätsmodul von circa 115 GPa und ist sehr beständig gegenüber verschiedenen Arten der Korrosion.

Auch besitzt Titan sehr niedrige Koeffizienten thermischer Leitfähigkeit  (circa 22 W/mK) und Ausdehnung 8,410-6 C-1), was im ersten Fall also fast einer Größenordnung und im zweiten einem Drittel im Vergleich zu Aluminium entspricht.

Was die Kristallstruktur anbelangt, lässt Titan eine allotrope Umwandlung zu, durch die das Kristallgitter bei stark von der spezifischen chemischen Zusammensetzung der Legierung abhängigen Temperatur von hexagonal kompakt (HK) zu kubisch-raumzentriert (KRZ) modifiziert wird. Normalerweise bleibt die kompakte heaxagonale Kristallstruktur von reinem Titan (oder α-Phase) bis 882 °C stabil; dieser Temperaturwert wird als β-Transus bezeichnet (Abbildung 2).  Bei höheren Temperaturen bis 1670 °C stabil ist die kubisch-raumzentrierte Struktur (β-Phase); dieser Temperaturwert entspricht dem Schmelpunkt reinen Titans.

Abbildung 2: Allotrope Umwandlung in handelsüblichem Reintitan

ZUSATZ VON ELEMENTEN UND BILDUNG VON LEGIERUNGEN

Die Legierungselemente gliedern sich je nach Wirkung auf die Temperatur des α-β-Übergangs oder auf die unterschiedliche Löslichkeit in den beiden Phasen in α- und β-stabilisierend. Zu beachten ist, dass der Übergang von der α- zur β-Phase bei Binärlegierungen im Unterschied zu reinem Titan nicht bei einer bestimmten Temperatur erfolgt (z. B. 882 °C), sondern innerhalb eines Temperaturintervalls; in diesem Fall wird die β-Transus-Temperatur als der Wert definiert, nach dem die Mikrostruktur des Materials vollständig aus β-Phase besteht.

Das Ersatzelement Al und die interstitiellen Elemente O, C und N sind starke α-Stabilisatoren und erhöhen die β-Transus-Temperatur, wie das Diagramm in Abbildung 3 zeigt. Die β-stabilisierenden Elemente hingegen senken die Übergangstemperatur. Letztere gliedern sich in β-isomorphe (V, Mo, Nb, Ta) und β-eutektoide Elemente (Mn, Fe, Cr, Co, Ni, Si, H), je nachdem welche Form das Diagramm des Binärzustand aufweist, das sich mit dem Titan ergibt. Andere Elemente wie Sn und Zr verhalten sich nahezu neutral und bewirken nur eine leichte Senkung des β-Transus-Werts.

Abbildung 3: Beispiele für die verschiedenen Arten von Diagrammen binärer Zustände, bei denen die Wirkung der wichtigsten Legierungselemente auf die β-Transus-Temperatur und die Stabilität der α- und β-Phase deutlich wird.

Aus diesen Erläuterungen geht hervor, dass leicht beobachtet werden kann, wie durch entsprechende Änderung der Legierungselemente und ihres Gehalts bei Raumtemperatur Legierungen mit einer nur aus α-Phase bestehenden Struktur erzeugt werden können, oder Zweiphasenlegierungen, bei denen die α- und β-Phase gleichzeitig vorhanden ist, oder auch Legierungen, die nur aus β-Phase bestehen.

Titanlegierungen können eine mechanische Beständigkeit über MPa erreichen, während das Elastizitätsmodul je nach Struktur und vorhandenen Phasen zwischen 80 und 145 GPa variieren kann. Diesbezüglich zeigt Abbildung 4 den Verlauf der spezifischen Beständigkeit (im Sinne von Streckgrenze im Verhältnis zur Dichte) in Abhängigkeit von der Temperatur für verschiedene Metalllegierungen.

Abbildung 4: Spezifische Beständigkeit in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der Titanlegierungen im Vergleich zu anderen für den Einsatz in der  Industrie üblichen Metallen.

Wichtigste Eigenschaften der handelsüblichen Titanlegierungen:

  • Das Elastizitätsmodul steigt mit zunehmendem Gehalt interstitieller Elemente (C, N, O und H) und Aluminium, kann durch Zusatz von β-Stabilisatoren jedoch auch sinken.
  • Hoher Härtegrad, der generell mit dem Zusatz von β-Stabilisatoren zunimmt (bestimmte Legierungen können, wie wir genauer sehen werden, durch eine verflüssigende Wärmebehandlung mit darauffolgender Alterung gehärtet werden).
  • Hohe Kriechbeständigkeit bis 0,6Tf (Tf entspricht der Schmelztemperatur in Kelvin).
  • Hohe Beständigkeit gegenüber spezifischer mechanischer Ermüdung (Ermüdungsgrenzwert im Verhältnis zur Dichte), die eine Stärke der Titanlegierungen darstellt, da sie größer ist als bei jeder anderen Metalllegierung bei gleicher mechanischer Beständigkeit.

Beim nächsten Mal sprechen wir über die spezifischen Eigenschaften und Merkmale der verschiedenen Titanlegierungen.

Empfohlene Beiträge

Beginnen Sie mit der Eingabe und drücken Sie Enter, um zu suchen

titanio