In Vertiefung

Titanium-Legierungen

ZWEITE EPISODE UNSERES TITAN-FOKUS: fangen wir an uns auf die Klassifizierung seiner Legierungen zu konzentrieren.

Handelsübliches Reintitan (gemäß ASTM mit dem Reinheitsgrad (CP – commercially pure) „x“ angegeben, wobei „x“ für die vorhandenen Unreinheiten steht) wird vor allem wegen seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit geschätzt.

Für Titanlegierungen existiert keine allgemein anerkannte Klassifikation, sondern werden unterschiedliche nationale Standards verwendet.

Eine bequeme Methode besteht darin, die Legierungen nach den Phasen zu gliedern, aus denen die Mikrostruktur des Materials bei Raumtemperatur besteht. Wie wir wissen, wird die Stabilität der Phasen stark von den α- und β-stabilisierenden Elementen beeinflusst, der der Legierung absichtlich zugesetzt wurden.

In dieser Hinsicht kann die Wirkung der verschiedenen α- und β-stabilisierenden Elemente durch Definition der Parameter „Aluminium-Äquivalent“ und „Molybdän-Äquivalent“ gegliedert werden:

Aleq = 1,0(%Al) + 0,17(%Zr) + 0,33(%Sn) + 10(%O + %N)         (Eq. 1)

und

Moeq = 1,0(%Mo) + 0,67(%V) + 0,44(%W) + 0,28 (%Nb) + 0,22(%Ta) +2,9(%Fe) + 1,6(%Cr) + 1,25(%Ni) + 1,7(%Mn) + 1,7(%Co ) – 1,0(%Al)         (Eq. 2)

wobei die prozentualen Anteile der einzelnen Elemente als Gewicht angegeben werden.

Für die Berechnung der β-Transus-Temperatur ausgehend von der chemischen Zusammensetzung der Legierung kann zur ersten Annäherung folgendes Verhältnis verwendet werden:

βtr = 882 + 2,1(%Al) –  9,5(%Mo) + 4,2(%Sn) – 6,9(%Zr) – 11,8(%V) – 12,1(%Cr) – 15,4(%Fe) + 23,3(%Si) + 123,0(%O)         (Eq. 3)

Das Molybdän-Äquivalent ermöglicht uns, wie Abbildung 1 zeigt, die Einführung eines generischen pseudobinären Zustandsdiagramms des β-isomorphen Typs, mit dem wir Titanlegierungen in drei große Kategorien einteilen können.

Die drei Hauptgruppen – α-Legierungen, α+β-Legierungen und β-Legierungen – kennzeichnen sich durch die bei Raumtemperatur vorliegenden Phasen. Die Art dieser Phasen hängt, wie zuvor beschrieben, vom Gehalt der verschiedenen Legierungselemente und letztendlich vom Wert des Molybdän-Äquivalents ab.

Die β-Legierungen gliedern sich wiederum in metastabile β-Legierungen oder hochbeständige β-Legierungen und in stabile β-Legierungen, auch wenn erstere viel wichtiger sind und häufiger genutzt werden.

Die metastabilen β-Legierungen haben genau genommen, wenn sie langsam aus dem β-Feld auf Raumtemperatur gekühlt werden, eine α+β-Zweiphasenstruktur; nach schnellem Abkühlen – zum Beispiel durch Lösungshärtung aus dem β-Feld – bestehen sie jedoch nur aus metastabiler β-Phase (auch β-Retention genannt).

Experimente haben gezeigt, dass dieser Zustand erreicht werden kann, wenn das Molybdän-Äquivalent im Bereich zwischen 10 und 30 liegt.

Abbildung 1. Generisches Zustandsdiagramm des β-isomorphen Typs, das zur Klassifikation der Titanlegierungen auf Grundlage ihrer Mikrostruktur bei Raumtemperatur verwendet wird.

Einige Autoren bevorzugen hingegen eine genauere Klassifikation, die zwei weitere Gruppen vorsieht: die Near-α-Legierungen, die eine Zweiphasenstruktur. aber geringe Mengen β-Phase aufweisen, da der Gehalt β-stabilisierender Elemente maximal  1-2 % beträgt, und die Near-β-Legier zwischen 5 und 10 kennzeichnen (Abbildung 2).

Man beachte, dass die Kategorie der Near-α in die der α+β-Legierungen  und die Gruppe der Near-β in die der metastabilen β-Legierungen eingeordnet werden könnte, wodurch man wieder die in Abbildung 1 gezeigte einfache Klassifikation erhält.

Tabelle 1 führt für jede der genannten Gruppen einige der wichtigsten aktuell gebräuchlichen handelsüblichen Legierungen auf. Wir weisen darauf hin, dass das Reintitan (CP) in dieser schematischen Klassifikation der Gruppe der α-Legierungen zugeordnet wurde.

Abbildung 2. Generisches Zustandsdiagramm des β-isomorphen Typs, das zur Klassifikation der Titanlegierungen auf Grundlage ihrer Mikrostruktur bei Raumtemperatur verwendet wird und in dem auch die Gruppen der Near-α- und Near-β-Legierungen angegeben sind.

 

Tabelle 1. Liste der wichtigsten Sorten von handelsüblichem Reintitan und industriell genutzten Titanlegierungen, in Gruppen gegliedert.

HANDELSÜBLICHES REINTITAN UND α-LEGIERUNGEN

Das handelsübliche Reintitan wird in verschiedene Klassen eingestuft, von denen die mit Grad 1 bis 4 die wichtigsten sind; sie unterschieden sich durch ihren Gehalt an Eisen und interstitiellen Elementen: der Sauerstoffgehalt, insbesondere, steigt von 0,18 % (Grad 1) auf 0,40 % (Grad 4), wodurch die sich einheitliche Streckgrenze deutlich erhöht, nämlich von 170 auf 480 MPa, während die Reißdehnung von 24 auf 15 % sinkt.

Die ausgeprägte Korrosionsbeständigkeit a spiccata resistenza a corrosione (Passivierung) von Titan, vor allem von Reintitan, wird durch die Bildung einer nur wenige Dutzend Nanometer dicken Schicht aus Oberflächenoxid (TiO2) gewährleistet, die bis ungefähr 530 °C hitzebeständig ist. Bei Temperaturen über diesem Wert verliert die Schicht ihre strukturelle Kontinuität, wodurch sich die Korrosionsbeständigkeit des Materials drastisch verringert.

Grad 1 ist das duktilste der verschiedenen Sorten des handelsüblichem Reintitans und besitzt von allen Titanlegierungen die beste Verformbarkeit sowie eine hohe Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit. Generell wird es in Form von Flachprodukten für chemische Prozesse,architektonische Zwecke Entsalzer, Platten für Architektur, Medizin und die Seefahrt hergestellt.

Grad 2 kann als das am meisten produzierte und verwendete Reintitan betrachtet werden. Es besitzt all die exzellenten Eigenschaften von Grad 1, jedoch bei deutlicher Erhöhung der einheitlichen Streckgrenze. Es handelt sich daher um einen  Werkstoff mit guter Schweißbarkeit, mechanischer Beständigkeit, Duktilität und Verformbarkeit. Es wird oft in Form von Barren produziert und kommt in ganz unterschiedlichen Branchen zum Einsatz: Architektur, biomedizinische Industrie, Seefahrt, Automobilbranche, Luftfahrt und chemische Industrie.

Abbildung 3. Guggenheim Museum in Bilbao: für die Außenverkleidung wurden 30.000 CP-Titanbleche mit einer Dicke von 0,3 mm verwendet.

Grad 3 ist eine Weiterentwicklung von Grad 2 mit einer noch höheren mechanischen Beständigkeit. Es wird im Allgemeinen in der Luft- und Raumfahrt, in der Seefahrt, in der Medizin und in der Chemie eingesetzt.

Grad 4 besitzt ebenfalls eine gute Verformbarkeit und Schweißbarkeit, obwohl es eine noch höhere mechanische Beständigkeit aufweist als die anderen dre. Es wird als CP-Reintitan für kryogene Behälter, Flugzeugkomponenten, Wärmetauscher, Kondensationsrohre und chirurgische Instrumente verwendet.

Wie Abbildung 4 zeigt, ermöglicht der Zusatz von 0,2 % Palladium (Grad 7 und 11), eine hervorragende Beständigkeit gegenüber Risskorrosion auch in stark reduktionsfähigen Umgebung zu erzielen; auch der Zusatz von 0,1 % Ruthenium (Grad 26 und 27) erzielt die gleiche Wirkung wie das Palladium.

 


(a) CP Titanium grade 2

(b) Ti-0.2Pd (grade 7)

Abbildung 4. Wirkung des Zusatzes von Palladium auf den Anstieg der Risskorrosionsbeständigkeit im Sinne von pH- und Temperatur-Grenzwerten, in entlüfteter, saurer Natriumchloridlösung.

Bei α-Legierungen gewährleisten die Legierungselemente eine wirksame Zunahme der mechanischen Eigenschaften der hexagonalen kompakten Kristallstruktur  mit einem Mechanismus der Verstärkung durch feste Lösung. Zu den wichtigsten dieser Elemente gehören  die α-stabilisierenden Elemente Aluminium und Sauerstoff, aber auch neutrale Elemente wie Zinn und Zirkon. Für eine erste Annäherung kann das Kriterium angewandt werden, gemäß dem der Anstieg der mechanischen Beständigkeit für jedes zusätzliche Prozent eines jeden dieser Elemente zwischen 35 und 70 MPa beträgt.

Es gibt jedoch eine natürliche Grenze für den Zusatz von Legierungselementen, denn wenn der Wert des Parameters Aluminium-Äquivalent (Eq. 1) 9 % übersteigt, bilden sich fragile intermetallische Verbindungen mit geordneter Gitterstruktur.

Obwohl einige dieser Legierungen die Möglichkeit bieten, nach schneller Abkühlung von hohen Temperaturen Martensitstrukturen zu bilden, werden diese für gewöhnlich in geglühtem Zustand eingesetzt, mit einer aus gleichachsigen Körnern der α-Phase bestehenden Mikrostruktur. Das Vorhandensein von Unreinheiten wie Eisen oder der absichtliche Zusatz kleiner Mengen β-stabilisierender Elemente wie z. B. be der Legierung Ti-3Al-2,5V führt bei Raumtemperatur zum Vorhandensein einer kleinen Menge der β-Phase, die nie mehr als 2 % beträgt und sich überwiegend an den Rändern der α-Phasenkörner bildet. Diese β-Phasenpartikel haben eine positive Wirkung auf das Lösungsglühen, da sie eine übermäßige Vergrößerung der α-Phasenkörner verhindern, das sich negativ auf die endgültigen mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs auswirken würden.

Was die Empfindlichkeit der Alpha-Legierungen gegenüber Wasserstoff anbelangt, wird darauf hingewiesen, dass dieses Element dazu neigt, Metallhydride (TiH2 und TiH) mit einer Struktur dünner Platten zu bilden, die beim Betrieb das Auftreten von Mechanismen fragiler Absenkung begünstigen können.

Generell weisen α-Legierungen eine hohe Zähigkeit auf, auch bei sehr niedrigen Temperaturen, sowie eine gute Schweißbarkeit. Die Kaltverformung ist natürlich beschränkt, da es sich um Legierungen mit hexagonaler kompakter Kristallstruktur handelt, die sich von Natur aus durch eine beschränkte Anzahl von Gleitsystemen kennzeichnen.

Andererseits hat der Einsatz der meistgenutzten dieser Legierungen, d. h. der Ti-5Al-2,5Sn in den letzte Jahrzehnten drastisch abgenommen, um durch andere α+β-Legierungen wie z. B. Ti-6Al-4V ersetzt zu werden, die leichter verformbar sind und eine höhere Kriechbeständigkeit aufweisen. Zu den wenigen Anwendungsbereichen, in denen diese Legierung immer noch eingesetzt wird, gehört die Lagerung kryogener Flüssigkeiten . Die Legierung Ti-5Al-2,5Sn ELI (in der Version mit niedrigem Gehalt interstitieller Elemente) behält bis zu den für flüssigen Wasserstoff typischen Temperaturwerten (-253 °C) ein hohes Zähigkeitsniveau.

Bis zum nächsten Mal, wenn wir mehr über andere Titanlegierungen erfahren werden!

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