Einführung in Pulvermetalle - Titan

1. Quelle des Titans

Titan wurde 1791 erstmals von einem Amateurmineralogen namens Gregor im Vereinigten Königreich entdeckt. 1795 benannte der deutsche Chemiker Klaproth dieses unbekannte Metall nach den griechischen Göttern, den Titanen; daraus entstand die Bezeichnung „Titanium“ im Chinesischen und Englischen. Titan ist auf der Erde reichlich vorhanden. Es sind mehr als 140 Titanminerale bekannt, doch industriell werden hauptsächlich Ilmenit und Rutil genutzt. Die chinesischen Ilmenitreserven machen dabei 28 % der weltweiten Reserven aus und stehen damit weltweit an erster Stelle.

Titan gilt weltweit als ungiftiges Element, dessen Abbau und Herstellung jedoch mit hohen Kosten verbunden sind und das daher einen hohen Preis hat. Aufgrund einer Reihe hervorragender Eigenschaften, darunter Beständigkeit gegen hohe und niedrige Temperaturen, starke Säure- und Laugenbeständigkeit, hohe Festigkeit und geringe Dichte, ist Titan zu einem Spezialwerkstoff für die Raketensatelliten der NASA geworden. Außerdem wird es in den chinesischen Großprojekten Yutu, J-20, dem Flugzeugträger Shandong und anderen eingesetzt. Seit seinem Eintritt in den zivilen Bereich in den 1980er-Jahren gilt es aufgrund seiner natürlichen antibakteriellen und biophilen Eigenschaften als „ehrenhafter König der Metalle“ in der Lebensmittelindustrie.

2. Der Unterschied zwischen Reintitan und Titanlegierungen

Reintitan, auch industrielles Reintitan oder kommerzielles Reintitan genannt, wird nach dem Gehalt an Verunreinigungselementen klassifiziert. Es besitzt hervorragende Eigenschaften für das Tiefziehen und Schweißen, ist unempfindlich gegenüber Wärmebehandlung und Gefügeart und weist unter geeigneten plastischen Bedingungen eine gewisse Festigkeit auf. Seine Festigkeit hängt hauptsächlich vom Gehalt der Zwischengitterelemente Sauerstoff und Stickstoff ab. Die Eigenschaften von industriellem Reintitan mit 99,5 % sind: Dichte P=4.5g/cm3, Schmelzpunkt 1800°C, Wärmeleitfähigkeitskoeffizient λ=15.24W/(M.K), Zugfestigkeit σ b=539MPa, Bruchdehnung: δ =25%, Querschnittsverringerung ψ=25%, Elastizitätsmodul E=1.078×105MPa, Härte HB195. Titanlegierungen sind Legierungen aus Titan und anderen Elementen. Es handelt sich um ein relativ junges Metall; von seiner Entdeckung bis heute sind erst sechzig oder siebzig Jahre vergangen. Titanlegierungen zeichnen sich durch geringes Gewicht, hohe Festigkeit, geringe Elastizität, Temperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit aus. Sie werden hauptsächlich in Flugzeugtriebwerken, Raketen, Geschossen und anderen Bauteilen eingesetzt. Titan besitzt zwei allotrope Modifikationen. Titan ist eine Modifikation mit einem Schmelzpunkt von 1720°C. Unterhalb von 882°C besitzt es ein hexagonal dichtest gepacktes Gitter und wird als α-Titan bezeichnet; oberhalb von 882°C weist es ein kubisch raumzentriertes Gitter auf und wird als β-Titan bezeichnet. Durch die Nutzung der unterschiedlichen Eigenschaften dieser beiden Titanstrukturen werden geeignete Legierungselemente hinzugefügt, um die Phasenübergangstemperatur und den Phasenanteil schrittweise zu verändern und Titanlegierungen mit unterschiedlichen Gefügen zu erhalten. Die Elemente von Titanlegierungen lassen sich entsprechend ihrem Einfluss auf die Phasenübergangstemperatur in drei Kategorien einteilen:

① Elemente, die die α-Phase stabilisieren und die Phasenübergangstemperatur erhöhen, werden als α-stabilisierende Elemente bezeichnet. Dazu gehören Aluminium, Magnesium, Sauerstoff und Stickstoff. Aluminium ist dabei das wichtigste Legierungselement von Titanlegierungen. Es verbessert die Festigkeit der Legierung bei Raumtemperatur und hohen Temperaturen deutlich, verringert die Dichte und erhöht den Elastizitätsmodul.

② Elemente, die die β-Phase stabilisieren und die Phasenübergangstemperatur senken, werden als β-stabilisierende Elemente bezeichnet. Sie lassen sich in isomorphe und eutektische Typen unterteilen. Zu den ersteren gehören Molybdän, Niob, Vanadium usw.; zu den letzteren Chrom, Mangan, Kupfer, Silizium usw.

③ Elemente, die nur einen geringen Einfluss auf die Phasenübergangstemperatur haben, werden als neutrale Elemente bezeichnet, beispielsweise Zirkonium und Zinn.

Gängige Werkstoffgüten im Detail:

TA1 (amerikanischer Standard Gr1)

Titan der Güte TA1 (Gr1) ist die erste von vier Güten industriellen Reintitans. Es ist die weichste und duktilste dieser Güten. Es bietet die maximale Umformbarkeit, eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und eine hohe Kerbschlagzähigkeit. Die Güte TA1 ist das Material der Wahl für alle Anwendungen, die eine einfache Umformbarkeit erfordern, und wird häufig für Titanbleche und Titanrohre verwendet.

Güte TA2 (amerikanischer Standard Gr2)

Titan der Güte TA2 wird aufgrund seiner vielseitigen Verfügbarkeit und breiten Einsatzmöglichkeiten als „Arbeitspferd“ der Industrie für kommerzielles Reintitan bezeichnet. Es besitzt viele der gleichen Eigenschaften wie die Titanlegierung der Güte TA1, ist jedoch etwas fester. Beide sind gleichermaßen korrosionsbeständig. Diese Güte bietet gute Schweißbarkeit, Festigkeit, Duktilität und Umformbarkeit. Daher sind Stäbe und Bleche aus Titan der Güte TA2 die erste Wahl für zahlreiche Anwendungen im Bauwesen, in der Stromerzeugung, der Medizintechnik usw.

Güte TA3 (ANSI Gr3)        

Diese Güte wird kommerziell am seltensten unter den Reintitangüten verwendet, ist dadurch aber nicht weniger wertvoll. TA3 ist fester als TA1 und TA2 und weist eine ähnliche Duktilität sowie nur eine geringfügig geringere Umformbarkeit auf. Die mechanischen Eigenschaften sind jedoch besser als bei den Vorgängergüten. TA3 wird in Anwendungen eingesetzt, die eine mittlere Festigkeit und eine hohe Korrosionsbeständigkeit erfordern, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, der chemischen Verarbeitung und der Schifffahrt.

Güte TA4 (ANSI Gr4)        

Die Güte TA4 gilt als die stärkste der vier kommerziellen Reintitangüten. Sie ist außerdem für ihre hervorragende Korrosionsbeständigkeit, gute Umformbarkeit und Schweißbarkeit bekannt. Sie wird in bestimmten Komponenten von Flugzeugzellen, kryogenen Behältern, Wärmetauschern und ähnlichen Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Festigkeit erfordern.

Güte TA9 (ANSI Gr7)        

Die Güte TA9 ist mechanisch und physikalisch gleichwertig mit TA2, mit Ausnahme der Zugabe des Zwischengitterelements Palladium, wodurch sie zu einer Legierung wird. Güte 7 besitzt eine hervorragende Schweißbarkeit und ausgezeichnete Eigenschaften und ist die korrosionsbeständigste aller Titanlegierungen. Tatsächlich weist sie die höchste Beständigkeit gegenüber reduzierenden Säuren auf. TA9 wird für Komponenten chemischer Prozess- und Produktionsanlagen verwendet. TA9 besitzt eine äußerst hohe Korrosionsbeständigkeit, insbesondere in reduzierenden sauren Umgebungen.

Güte TA9-1 (amerikanischer Standard Gr11)

TA9-1 ähnelt der Güte TA1 sehr, mit dem Unterschied, dass eine geringe Menge Palladium hinzugefügt wird, um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen und eine Legierung zu bilden. Diese Korrosionsbeständigkeit kann zum Schutz vor Spaltkorrosion und zur Verringerung der Säurewirkung in Chloridumgebungen genutzt werden. Weitere nützliche Eigenschaften sind optimale Duktilität, Kaltumformbarkeit, ausreichende Festigkeit, Kerbschlagzähigkeit und hervorragende Schweißbarkeit. Diese Legierung kann in denselben Titananwendungen wie Güte 1 eingesetzt werden, insbesondere wenn Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist.

Ti 6Al-4V (Nationaler Standard TC4, amerikanischer Standard Gr5)

Ti6Al-4V oder Titan der Güte 5, bekannt als das „Arbeitspferd“ der Titanlegierungen, ist die am häufigsten verwendete Titanlegierung. Sie macht 50 % des weltweit verwendeten Titans aus. Ihre breite Verfügbarkeit beruht auf ihren zahlreichen Vorteilen. Ti6Al-4V kann wärmebehandelt werden, um seine Festigkeit zu erhöhen. Es kann in geschweißten Konstruktionen bei Einsatztemperaturen von bis zu 600°F verwendet werden. Die Legierung verbindet hohe Festigkeit mit geringem Gewicht, guter Umformbarkeit und hoher Korrosionsbeständigkeit. Die Verfügbarkeit von Ti6AI-4V macht sie zu einer optimalen Legierung für mehrere Branchen, darunter Luft- und Raumfahrt, Medizin, Schifffahrt und chemische Verarbeitung. Sie kann für folgende technische Anwendungen eingesetzt werden: Komponenten von Flugzeugturbinen, Strukturkomponenten von Flugzeugen, Befestigungselemente für die Luft- und Raumfahrt, Hochleistungs-Autoteile, Anwendungen in der Schifffahrt, Sportausrüstung

Güte Ti 6AL-4V ELI (GB TC4ELI, ANSI Gr23)

Ti 6AL-4V ELI bzw. TC4ELI ist eine hochreinere Form von Ti 6Al-4V. Es kann zu Spulen, Litzen, Drähten oder Flachdrähten verarbeitet werden. Es ist die erste Wahl für alle Situationen, in denen hohe Festigkeit, geringes Gewicht, gute Korrosionsbeständigkeit und hohe Zähigkeit erforderlich sind. Gegenüber anderen Legierungen weist es eine ausgezeichnete Schadentoleranz auf. Diese Vorteile machen TC4ELI zur herausragenden Titanlegierung für die Zahnmedizin und Medizin. Aufgrund seiner Biokompatibilität, guten Ermüdungsfestigkeit und des niedrigen Moduls kann es in biomedizinischen Anwendungen wie implantierbaren Komponenten eingesetzt werden. Es kann außerdem für spezielle chirurgische Anwendungen verwendet werden, beispielsweise für: orthopädische Stifte und Schrauben, orthopädische Kabel, chirurgische Ligaturimplantate, kieferorthopädische Geräte, Gelenkersatz, kryogene Behälter, Vorrichtungen zur Knochenfixierung

Güte TA10 (amerikanischer Standard Gr12)

Titan der Güte TA10 erhält aufgrund seiner hervorragenden Schweißbarkeit die Bewertung „ausgezeichnet“. Es handelt sich um eine äußerst langlebige Legierung, die bei hohen Temperaturen eine hohe Festigkeit bietet. Titan der Güte TA10 besitzt ähnliche Eigenschaften wie nichtrostende Stähle der 300er-Serie. Die Legierung kann durch Pressformen, Hydroformen, Streckformen oder Gesenkschmieden warm oder kalt umgeformt werden. Ihre vielfältigen Umformmöglichkeiten machen sie für zahlreiche Anwendungen geeignet. Die hohe Korrosionsbeständigkeit dieser Legierung macht sie außerdem für Hersteller von Anlagen unverzichtbar, bei denen Spaltkorrosion ein Problem darstellt. TA10 kann in folgenden Branchen und Anwendungen eingesetzt werden: Gehäuse und Wärmetauscher, hydrometallurgische Anwendungen, chemische Hochtemperaturproduktion, Komponenten für die Schifffahrt und den Schiffsbau

Ti 5Al-2.5Sn     

Ti 5Al-2.5Sn ist eine nicht wärmebehandelbare Legierung, die eine gute Schweißbarkeit und Stabilität bietet. Sie weist außerdem eine hohe Temperaturstabilität, hohe Festigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit und gute Kriechbeständigkeit auf. Kriechen bezeichnet das Auftreten plastischer Verformung bei hohen Temperaturen über einen längeren Zeitraum. Ti 5Al-2.5Sn wird hauptsächlich in Flugzeugen und Flugzeugrümpfen sowie bei Tieftemperaturanwendungen eingesetzt.

3. Anwendungen von Titan und Titanlegierungen

Obwohl Titan und Titanlegierungen in großen Mengen vorkommen, sind sie sehr teuer. Dies liegt daran, dass Titan bei hohen Temperaturen eine geringe chemische Aktivität aufweist und seine Schmelztechnologie sowie die Betriebsumgebung sehr anspruchsvoll sind. Es muss unter hohen Temperaturen und im Vakuum geschmolzen werden, wobei die Temperatur häufig über 800℃ liegt, was deutlich schwieriger ist als das Schmelzen von Stahl. Daher denken viele bei Titanlegierungen an hochwertige Metallwerkstoffe mit geringer Produktionsmenge, hohen Preisen und wenigen Anwendungen.

Derzeit werden Titan und Titanlegierungen aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie geringem Gewicht, hoher Festigkeit und hoher Temperaturbeständigkeit in vielen Ländern häufig zur Herstellung modernster Waffen und wichtiger nationaler Ausrüstung eingesetzt. Besonders geeignet sind sie für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Beispiele für Anwendungsbereiche sind: chemische Industrie

1. Laugenindustrie

Das Aufkommen von Titankühlern in der Laugenindustrie kann das Problem einer unzureichenden Chlorproduktion aufgrund unangemessener herkömmlicher Kühlverfahren wirksam lösen. Gleichzeitig hat es die Produktionsbedingungen in der Chloralkaliindustrie verändert; die Lebensdauer der eingesetzten Titanlegierungskühler kann bis zu 20 Jahre betragen.

2. Salzindustrie

Das fortschrittlichste Verfahren zur Salzgewinnung ist die Vakuumsalzproduktion. Die bei diesem Verfahren entstehende heiße konzentrierte Sole verursacht schwere Schäden an Kohlenstoffstahlkonstruktionen und führt zum Tropfen von Anlagen. Durch den Einsatz von Titan-Stahl-Verbundkonstruktionen in Heiz- und Verdampfungskammern können Salzablagerungen wirksam verhindert, die Qualität der Salzproduktion verbessert und die Korrosion der Rohrwand durch hochkonzentrierte Sole während der Verdampfung verringert werden, wodurch sich die Wartungsintervalle verlängern. Luft- und Raumfahrt 1. Luftfahrtindustrie Die Anwendung von Titanlegierungen in der Luftfahrt wird in Titanlegierungen für Flugzeugstrukturen und Titanlegierungen für Triebwerksstrukturen unterteilt. Zu den wichtigsten Strukturteilen von Flugzeugen aus Titanlegierungen gehören Fahrwerksteile, Rahmen, Träger, Rumpfbeplankungen, Hitzeschilde usw. Das russische Flugzeug Il-76 verwendet die hochfeste Titanlegierung BT22 zur Herstellung wichtiger Komponenten wie Fahrwerk und tragender Träger; der Übertragungsträger des Hauptfahrwerks der Boeing 747 besteht aus Ti-6Al-4V, ist 6,20 Meter lang, 0,95 Meter breit und wiegt 1545 Kilogramm; für wichtige Teile der Höhenleitwerkswelle des C-17-Flugzeugs wird die hochfeste und hochzähe Titanlegierung Ti-62222S verwendet. In Flugzeugtriebwerken werden Titanlegierungen für Verdichterscheiben, Schaufeln, Trommeln, Hochdruckverdichterrotoren, Verdichtergehäuse usw. eingesetzt. Die Vorderkante und Spitze der Fanschaufeln des Boeing-747-8GENX-Triebwerks sind mit Schutzmanschetten aus Titanlegierung versehen, die während der zehnjährigen Lebensdauer nur dreimal ausgetauscht wurden.

2. Luft- und Raumfahrtindustrie

Die Betriebsbedingungen von Raumfahrzeugen sind äußerst extrem. Neben der strukturellen Konstruktion des Materials, die hervorragende Technologien erfordert, sind auch die hervorragenden Eigenschaften und Funktionen des Materials selbst von großer Bedeutung. Daher hebt sich die Titanlegierung von vielen anderen Werkstoffen ab. Bei der Raumfahrtausrüstung wurden in den 1960er-Jahren die Flügelträger und Rippen der Doppel- und Druckkabinen des amerikanischen Apollo-Programms aus Ti-5Al-2.5Sn gefertigt, während die Auskleidung aus Reintitan bestand; das deutsche Unternehmen MT Aerospace stellte einen Tank für ein Hochleistungsantriebssystem aus der hochfesten Legierung Ti-15V-3Cr her und setzte ihn auf der großen Plattform des europäischen Kommunikationssatelliten Alpha ein; auch für den Einsatz russischer Titanlegierungen in der Raumfahrttechnik gibt es zahlreiche Beispiele, etwa die 3,5-t-Großgesenkschmiede und das Schmiedeteil aus der Titanlegierung BT23 der Trägerrakete Energia. Darüber hinaus werden Titanlegierungen in den Treibstofftanks von Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken, in Tieftemperatur-Flüssigkeitsspeichertanks, in Laufrädern von Flüssigwasserstoff-Förderpumpen und ähnlichen Komponenten eingesetzt.

Auch mit der rasanten Entwicklung der chinesischen Raumfahrttechnik wurden Titanlegierungen umfassend eingesetzt. Vom Satelliten Dongfang-1 im Jahr 1970 bis zu den heutigen Shenzhou-Raumschiffen und Chang'e-Sonden kamen Titanlegierungen zum Einsatz. Zudem wurden die von China entwickelten Tieftemperaturzylinder aus der Titanlegierung TA7ELI für Flüssigwasserstoffumgebungen in den Trägerraketen der Langer-Marsch-Serie verwendet; das Harbin Institute of Technology fertigte die Felgen des Mondrovers aus der Titanlegierung TC4; außerdem nutzt China BT20 und andere hochfeste Titanlegierungen zur Herstellung von Raketenmotorgehäusen, Düsen und weiteren Komponenten. Schiffbau Titan und Titanlegierungen werden häufig in Atom-U-Booten, Tauchbooten, atomgetriebenen Eisbrechern, Tragflügelbooten, Luftkissenfahrzeugen und Minensuchbooten sowie für Propellerantriebe, Peitschenantennen, Meerwasserleitungen, Kondensatoren, Wärmetauscher, akustische Geräte und Feuerlöschanlagen eingesetzt. So ist beispielsweise das US-amerikanische Tauchboot „Sea Cliff“ mit einer Beobachtungs- und einer Steuerkabine aus Titan ausgestattet und kann eine Tauchtiefe von 6100m erreichen; die japanische Toho Titanium Company und Fujishin Shipbuilding bauten gemeinsam das vollständig aus Titan bestehende Schnellboot „Marishiten II“, das in den Vereinigten Staaten eine Zeit lang sehr beliebt war; auch das erste unabhängig entworfene und integrierte bemannte Tauchboot Chinas, „Jiaolong“, verwendet Titanlegierungen. Der Einsatzbereich von Jiaolong umfasst 99,8 % der globalen Meeresfläche.

4. Bestehende Probleme und Perspektiven von Titan und Titanlegierungen

Obwohl Titan und Titanlegierungen bedeutende Fortschritte gemacht haben, sind auch bestehende Probleme zutage getreten, und die Entwicklung von Titanlegierungen steht vor erheblichen Herausforderungen. Dies zeigt sich hauptsächlich in den folgenden drei Aspekten:

• Produktion     

Obwohl China ein bedeutendes Land der Titanindustrie ist, ist die Zahl der in der Produktion verfügbaren hochwertigen Produkte nicht groß, und es gibt nur wenige Arten von Titanprodukten mit besonderen Eigenschaften. Zweitens kann China Titanbänder und stranggepresste Titanprofile weder in großen Mengen noch stabil herstellen, was die Entwicklung und Nutzung von Titan und Titanlegierungen in der Luft- und Raumfahrt, im maritimen Bereich und anderen Gebieten einschränkt. Es ist weiterhin sehr schwierig, den Titananteil in Flugzeugtriebwerken auf etwa 50 % zu erhöhen.

2) Leistung Da Titan eine hohe chemische Aktivität besitzt und leicht durch andere Elemente verunreinigt wird, stellt die Verarbeitung und Herstellung von Titanlegierungen sehr hohe Anforderungen. Gleichzeitig müssen bei der Verarbeitung von Hochleistungsprodukten ihre mechanischen, physikalischen, chemischen und verfahrenstechnischen Eigenschaften umfassend berücksichtigt werden. Der starke Rückgang der Kriechbeständigkeit und der Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit bestehender Titanlegierungen oberhalb von 600°C stellt die beiden größten Hindernisse für die Ausweitung der Anwendungen von Titanlegierungen dar.

3) Kosten Derzeit bemühen sich alle Länder darum, die Anwendungskosten von Titanlegierungen zu senken, und haben dabei viele Erfolge erzielt. Betrachtet man jedoch die aktuelle Situation in China, haben das Management- und das technische Niveau noch nicht das gewünschte Niveau erreicht. Der Preis chinesischer Titanlegierungsprodukte ist auf dem internationalen Markt weniger wettbewerbsfähig, was einer weiteren Ausweitung ihrer Nutzung entgegensteht.

Derzeit liegen die wichtigsten Anwendungsbereiche von Titanlegierungen weiterhin in militärischen Industriesektoren wie der Luft- und Raumfahrt. Die Entwicklung neuer Anwendungsbereiche, etwa in Automobilen, Zügen und Hochgeschwindigkeitsbahnen, sowie die Anwendungsperspektiven in zivilen Bereichen des täglichen Lebens sind weiterhin sehr breit. Darüber hinaus sind der Ersatz teurer Legierungselemente durch kostengünstigere Elemente und die Senkung der Kosten von Titanlegierungsteilen durch verfahrenstechnische Ansätze wichtige Themen der künftigen Forschung zu Titanlegierungen. Wenn Titanlegierungen für hochwertige Anwendungen künftig kostengünstig hergestellt werden können, werden sie in verschiedensten Bereichen eingesetzt werden.