Titan und seine Legierungen: Alles, was Sie wissen müssen

1. Quelle des Titans

Titan wurde erstmals 1791 von einem Amateurmineralogen namens Gregor aus dem Vereinigten Königreich entdeckt. Bis 1795 hatte ein deutscher Chemiker namens Klaproth diese unbekannte Metallsubstanz nach den griechischen Göttern, den Titanen, benannt, was im Englischen mit "Titanium" übersetzt wird.

Titan ist mit über 140 bekannten Arten von Titanmineralen auf der Erde reichlich vorhanden. Die wichtigsten industriellen Anwendungen sind jedoch Ilmenit und Rutil. China verfügt über 28% der weltweiten Ilmenitreserven und steht damit weltweit an erster Stelle.

Titan, ein allgemein anerkanntes ungiftiges Element, ist aufgrund seiner hohen Abbau- und Produktionskosten teuer. Aufgrund seiner Fähigkeit, hohen und niedrigen Temperaturen standzuhalten, starken Säuren und Basen zu widerstehen, seiner hohen Festigkeit und geringen Dichte ist es zu einem Spezialmaterial für NASA-Raketen und -Satelliten geworden.

Es wird auch bei den Großprojekten unseres Landes wie dem Jadekaninchen, dem J-20 und dem Flugzeugträger Shandong verwendet. Nachdem es in den 1980er Jahren auf den Verbrauchermarkt gekommen war, haben seine natürlichen antibakteriellen und biokompatiblen Eigenschaften es zum "König der Ehre" in der Geschirrindustrie gemacht.

Chinas Titanindustrie begann in den 1950er Jahren. Mitte der 1960er Jahre hatte China in Zunyi und Baoji Werke zur Herstellung von Titanschwamm bzw. zur Titanverarbeitung errichtet und sich damit als eine der Weltmächte in der Titanindustrie etabliert.

Im 21. Jahrhundert trat Chinas Titanindustrie in eine neue Phase der beschleunigten Entwicklung ein, und seine Titanproduktionskapazität ist weltweit führend.

2. Unterschied zwischen Reintitan und Titanlegierungen

Reines Titan

Es ist auch als industrielles Reintitan oder kommerzielles Reintitan bekannt und wird nach dem Gehalt an Verunreinigungen eingeteilt. Es lässt sich hervorragend stanzen und verarbeiten Schweißbarkeitist unempfindlich gegenüber Wärmebehandlung und Organisationsformen und besitzt eine gewisse Festigkeit unter zufriedenstellenden Plastizitätsbedingungen. Seine Festigkeit hängt hauptsächlich vom Gehalt der Lückenelemente Sauerstoff und Stickstoff ab.

Die Eigenschaften von 99,5% industriellem Reintitan sind: Dichte P=4,5g/cm³Schmelzpunkt 1800°C, Wärmeleitfähigkeit λ=15,24 W/(M.K), Zugfestigkeit σ b=539MPa, Dehnung: δ =25%, Querschnittsschrumpfung ψ=25%, E-Modul E=1,078×105MPa, Härte HB195.

Titan-Legierung

Titanlegierung ist eine Legierung, die aus Titan als Basis und anderen Elementen besteht. Es ist ein relativ junges Metall mit einer Geschichte von nur sechzig bis siebzig Jahren von der Entdeckung bis heute. Titanlegierungen haben Eigenschaften wie geringes Gewicht, hohe Festigkeit, geringe Elastizität, hohe Temperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Sie werden hauptsächlich für Teile von Flugzeugtriebwerken, Raketen, Flugkörpern usw. verwendet. Titan hat zwei Arten von homomorphen doppelbrechenden Kristallen. Titan ist ein homomorphes Isomorph mit einem Schmelzpunkt von 1720°C. Unterhalb von 882°C weist es eine dichte hexagonale Kristallstruktur auf, die als α-Titan bezeichnet wird; oberhalb von 882°C weist es eine kubisch-raumzentrierte Gitterstruktur auf, die als β-Titan bezeichnet wird.

Wenn man die unterschiedlichen Eigenschaften der beiden oben genannten Titanstrukturen nutzt, geeignete Legierungselemente hinzufügt und die Phasenübergangstemperatur und den Phasengehalt schrittweise ändert, erhält man verschiedene Titanlegierungen (Titanlegierungen).

Die Elemente der Titanlegierung können je nach ihrem Einfluss auf die Phasenübergangstemperatur in drei Kategorien unterteilt werden:

Stabile α-Phase: Elemente, die die Phasenübergangstemperatur erhöhen, sind α-stabilisierende Elemente, wie Aluminium, Magnesium, Sauerstoff und Stickstoff. Unter ihnen ist Aluminium das wichtigste Legierungselement von Titanlegierungen, und es hat offensichtliche Auswirkungen auf die Verbesserung der Raumtemperatur- und Hochtemperaturfestigkeit der Legierung, die Verringerung des spezifischen Gewichts und die Erhöhung des Elastizitätsmoduls.

② Stabile β-Phase, Elemente, die die Phasenübergangstemperatur senken, sind β-stabilisierende Elemente. Sie können in isomorphe und eutektische unterteilt werden. Zu ersteren gehören Molybdän, Niob, Vanadium usw.; zu letzteren gehören Chrom, Mangan, Kupfer, Silizium usw.

③ Zu den neutralen Elementen, die sich kaum auf die Phasenübergangstemperatur auswirken, gehören Zirkonium, Zinn usw.

Tabelle der Marken und chemischen Zusammensetzung von Titan und Titanlegierungen

Die am häufigsten verwendeten Sorten:

TA1 (Amerikanischer Standard: Gr1)

TA1 (Gr1) Titan ist der erste von vier industriellen Reintitangüten. Es ist das weichste und dehnbarste dieser Sorten. Es hat die beste Formbarkeit, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und hohe Schlagzähigkeit. TA1 ist das Material der Wahl für alle Anwendungen, die eine leichte Verformbarkeit erfordern, und wird normalerweise für Titanplatten und -rohre verwendet.

TA2 (Amerikanischer Standard: Gr2) Klasse

Aufgrund seiner vielfältigen und breiten Verfügbarkeit ist Titan der Güteklasse TA2 als das "Arbeitspferd" der kommerziellen Reintitanindustrie bekannt. Es hat viele Eigenschaften mit der Titanlegierung des Grades TA1 gemeinsam, ist aber etwas fester. Beide sind gleichermaßen korrosionsbeständig.

Diese Qualität zeichnet sich durch gute Schweißbarkeit, Festigkeit, Duktilität und Verformbarkeit aus. Dies macht Titanstäbe und -platten der Güte TA2 zur ersten Wahl für viele Anwendungen im Bauwesen, in der Energieerzeugung und in der medizinischen Industrie.

TA3 (Amerikanischer Standard: Gr3) Klasse

Dieser Grad wird von den handelsüblichen Reintitangraden am wenigsten verwendet, was seinen Wert jedoch nicht schmälert. Der Grad TA3 ist fester als die Grade TA1 und TA2, mit ähnlicher Duktilität, nur etwas weniger formbar. Aber er hat höhere mechanische Eigenschaften als seine Vorgänger.

Die Sorte TA3 wird für Anwendungen verwendet, die eine mittlere Festigkeit und primäre Korrosionsbeständigkeit erfordern, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrt, in der chemischen Verarbeitung und in der Schiffsindustrie.

TA4 (Amerikanischer Standard: Gr4) Klasse

Der Grad TA4 gilt als der stärkste der vier handelsüblichen Reintitangrade. Er ist auch für seine hervorragende Korrosionsbeständigkeit, gute Verformbarkeit und Schweißbarkeit bekannt. Er wird für Anwendungen verwendet, die eine hohe Festigkeit erfordern, wie z. B. einige Flugzeugkomponenten, Niedertemperaturbehälter, Wärmetauscher usw.

TA9 (Amerikanischer Standard: Gr7) Klasse

Die Sorte TA9 entspricht mechanisch und physikalisch der Sorte TA2, wird aber durch den Zusatz von Palladium zu einer Legierung. Grad 7 hat eine ausgezeichnete Schweißbarkeit und Eigenschaften und ist die korrosionsbeständigste aller Titanlegierungen.

Es ist sogar das korrosionsbeständigste Material für reduzierende Säuren. Die Sorte TA9 wird für Komponenten von chemischen Verfahren und Produktionsanlagen verwendet. TA9 hat eine extrem hohe Korrosionsbeständigkeit, insbesondere in reduzierenden Säuren.

TA9-1 (Amerikanischer Standard: Gr11) Klasse

Die Sorte TA9-1 ist der Sorte TA1 sehr ähnlich, mit einem geringen Zusatz von Palladium zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit, wodurch sie zu einer Legierung wird. Diese Korrosionsbeständigkeit kann zur Verhinderung von Spaltkorrosion und zur Reduzierung von Säure in chloridhaltigen Umgebungen genutzt werden.

Weitere nützliche Eigenschaften sind optimale Duktilität, Kaltumformbarkeit, nützliche Festigkeit, Schlagzähigkeit und ausgezeichnete Schweißbarkeit. Diese Legierung kann für die gleichen Titananwendungen wie Grad 1 verwendet werden, insbesondere wenn Korrosion erforderlich ist.

Ti 6Al-4V (Chinesischer Standard TC4, Amerikanischer Standard Gr5) Qualität

Ti 6Al-4V oder Titan Grad 5 wird oft als "Hauptstütze" der Titanlegierungen bezeichnet und ist die am häufigsten verwendete aller Titanlegierungen. Es macht 50% des weltweit verwendeten Titans aus. Seine Beliebtheit rührt von seinen zahlreichen Vorteilen her.

Ti 6Al-4V kann wärmebehandelt werden, um seine Festigkeit zu erhöhen. Es kann zum Schweißen von Strukturen bei Einsatztemperaturen von bis zu 600°F verwendet werden. Die Legierung hat eine hohe Festigkeit, eine gute Formbarkeit und eine hohe Korrosionsbeständigkeit und ist gleichzeitig leicht. Die Vielseitigkeit von Ti 6Al-4V macht es zu einer optimalen Legierung für verschiedene Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Schifffahrt und chemische Verarbeitung. Sie kann zur Herstellung der folgenden technischen Inhalte verwendet werden:

• Flugzeugturbinen
• Motorenteile
• Luftfahrzeug-Strukturkomponenten
• Befestigungselemente für die Luft- und Raumfahrt
• Hochleistungsteile für Kraftfahrzeuge
• Anwendungen in der Schifffahrt
• Sportgeräte

Ti 6AL-4V ELI (Chinesischer Standard TC4ELI, Amerikanischer Standard Gr23) Sorte

Die Sorte Ti 6AL-4V ELI oder TC4ELI ist eine reinere Form von Ti 6Al-4V. Er kann zu Spulen, Litzen, elektrischem Draht oder Flachdraht verarbeitet werden. Er ist die erste Wahl für alle Anwendungen, die hohe Festigkeit, Leichtigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit und hohe Zähigkeit erfordern. Im Vergleich zu anderen Legierungen weist er eine ausgezeichnete Schadenstoleranz auf.

Diese Vorteile machen den TC4ELI-Grad zum ultimativen zahnmedizinischen und medizinischen Titangrad. Aufgrund seiner Biokompatibilität, guten Ermüdungsfestigkeitund niedrigem Modul kann es für biomedizinische Anwendungen wie implantierbare Komponenten verwendet werden. Es ist auch nützlich für detaillierte chirurgische Verfahren, wie zum Beispiel:

• Orthopädische Stifte und Schrauben
• Orthopädische Kabel
• Ligaturen
• Chirurgische Implantate
• Kieferorthopädische Geräte
• Gelenkersatz
• Kryogenische Behälter
• Vorrichtungen zur Knochenfixierung

TA10 (Amerikanischer Standard Gr12) Klasse

Der Titangrad TA10 wird aufgrund seiner hochwertigen Schweißbarkeit als "ausgezeichnet" eingestuft. Es handelt sich um eine äußerst haltbare Legierung, die bei hohen Temperaturen eine enorme Festigkeit aufweist. Titan der Güteklasse TA10 hat ähnliche Eigenschaften wie die 300er Serie von rostfreiem Stahl.

Diese Legierung kann durch Pressformen, Hydroforming, Streckformen oder Fallhämmern warm oder kalt geformt werden. Ihre Fähigkeit, auf verschiedene Weise geformt zu werden, macht sie in vielen Anwendungen nützlich. Die hohe Korrosionsbeständigkeit dieser Legierung verleiht ihr auch einen unschätzbaren Wert für Fertigungsanlagen, die Spaltkorrosion berücksichtigen müssen. Die Sorte TA10 kann in den folgenden Branchen und Anwendungen eingesetzt werden:

• Schalen und Wärmetauscher
• Hydrometallurgische Anwendungen
• Chemische Herstellung bei hohen Temperaturen
• Komponenten für die Schifffahrt und die Luft- und Raumfahrt

Ti 5Al-2,5Sn

Ti 5Al-2.5Sn ist eine nicht wärmebehandelbare Legierung mit guter Schweißbarkeit und Stabilität. Sie hat außerdem eine hohe Temperaturstabilität, eine hohe Festigkeit, eine gute Korrosionsbeständigkeit und eine gute Kriechbeständigkeit. Unter Kriechen versteht man das Phänomen der plastischen Verformung, die über einen langen Zeitraum bei hohen Temperaturen auftritt. Ti 5Al-2.5Sn wird vor allem in der Flugzeug- und Rumpfindustrie sowie bei niedrigen Temperaturen eingesetzt.

Schließlich ist ein Vergleich der alten und neuen Titangüte und ihrer chemischen Zusammensetzung nach ausländischen und nationalen Normen beigefügt.

3. Anwendungen von Titan und Titanlegierungen

Obwohl Titan und Titanlegierungen im Überfluss vorhanden sind, sind ihre Preise sehr hoch. Das liegt daran, dass Titan bei hohen Temperaturen eine geringe chemische Aktivität aufweist, was die Schmelztechnologie und die Betriebsumgebung sehr anspruchsvoll macht. Es muss unter Hochtemperatur- und Vakuumbedingungen erschmolzen werden, wobei oft Temperaturen von über 800 °C erreicht werden.

Das macht es weitaus schwieriger als das Schmelzen von Stahl. Wenn von Titanlegierungen die Rede ist, werden sie daher als High-End-Produkte wahrgenommen. Metallmaterial mit geringer Produktion und hohen Preisen und wird daher selten verwendet.

Aufgrund der hervorragenden Eigenschaften von Titanlegierungen - geringes Gewicht, hohe Festigkeit und Hitzebeständigkeit - werden Titan und Titanlegierungen derzeit in großem Umfang für die Herstellung modernster Waffen und wichtiger nationaler Instrumente verwendet, insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Im Folgenden finden Sie einige Beispiele für Anwendungen in der chemischen Industrie:

1. Alkaliproduktionsindustrie

Die Einführung von Titankühlern in der Alkaliindustrie hat das Problem des minderwertigen Chlorgases, das aufgrund des unangemessenen traditionellen Kühlverfahrens erzeugt wird, wirksam gelöst. Sie hat auch das Gesicht der Chlor-Alkali-Industrie verändert, da die investierten Kühler aus Titanlegierungen eine Lebensdauer von bis zu 20 Jahren haben können.

2. Salz produzierende Industrie

Die derzeit fortschrittlichste Salzproduktionstechnologie ist die Vakuumsalzproduktion. Die bei diesem Verfahren entstehende konzentrierte Hochtemperatursole kann Stahlkonstruktionen ernsthaft beschädigen und zu Leckagen in den Anlagen führen.

Der Einsatz einer Titan-Stahl-Verbundstruktur in den Heiz- und Verdampferkammern kann Salzablagerungen wirksam verhindern, die Salzqualität verbessern und die Korrosionsauswirkungen der hochkonzentrierten Sole auf die Rohrwände während des Verdampfungsprozesses verringern, wodurch der Wartungszyklus verlängert wird.

Luft- und Raumfahrtindustrie

1. Luftfahrtindustrie

Die in der Luftfahrt verwendeten Titanlegierungen werden in Titanlegierungen für Flugzeugstrukturen und Titanlegierungen für Triebwerkstrukturen unterteilt. Zu den Hauptanwendungen von Strukturen aus Titanlegierungen in Flugzeugen gehören Fahrwerkskomponenten, Rahmen, Träger, Rumpfhäute und Hitzeschilde. Das russische Flugzeug Il-76 verwendet die hochfeste Titanlegierung BT22 zur Herstellung von Schlüsselkomponenten wie Fahrwerken und tragenden Trägern.

Der Hauptfahrwerksträger der Boeing 747 besteht aus dem Werkstoff Ti-6Al-4V, wobei ein geschmiedetes Stück 6,20 Meter lang und 0,95 Meter breit ist und bis zu 1545 Kilogramm wiegt. Die hochfeste und hochzähe Titanlegierung Ti-62222S wird in wichtigen Teilen der horizontalen Stabilisatorachse des C-17-Flugzeugs verwendet.

Bei Flugzeugtriebwerken werden Titanlegierungen in Verdichterscheiben, -schaufeln, -trommeln, Hochdruckverdichterrotoren und Verdichtergehäusen verwendet. Die Vorderkante und die Spitze der Fan-Schaufel des Boeing 747-8GENX-Triebwerks sind durch ein Gehäuse aus einer Titanlegierung geschützt, das in einer Betriebszeit von 10 Jahren nur dreimal ausgetauscht wurde.

2. Raumfahrtindustrie

Die Arbeitsbedingungen in Raumfahrzeugen sind extrem hart. Abgesehen von der Notwendigkeit eines überlegenen technischen Designs der Werkstoffe sind auch die hervorragenden Eigenschaften und Funktionen der Werkstoffe selbst entscheidend, wodurch sich Titanlegierungen von vielen anderen Werkstoffen abheben.

Im Bereich der Raumfahrtausrüstung wurden während des Apollo-Programms der Vereinigten Staaten in den 1960er Jahren die Zweimann-Kabine des Raumfahrzeugs, die Flügelbalken der geschlossenen Kabine und die Rippen aus Ti-5Al-2,5Sn gefertigt, wobei die Auskleidungen aus reinem Titan bestanden.

Das deutsche Unternehmen MT Aerospace hat einen Lagertank für das Antriebssystem aus einer hochfesten Ti-15V-3Cr-Legierung hergestellt, der auf der riesigen Plattform des europäischen Kommunikationssatelliten Alpha verwendet wird.

Es gibt viele Beispiele für die Anwendung russischer Titanlegierungen in der Raumfahrttechnik, wie z.B. die Verwendung eines großen 3,5 Tonnen schweren Schmiedeteils aus der Titanlegierung BT23 in der Energia-Frachtrakete. Darüber hinaus werden Titanlegierungen auch in den Treibstofftanks von Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken, in Niedertemperatur-Flüssigkeitstanks und in Pumpenrädern für flüssigen Wasserstoff verwendet.

Auch in der rasanten Entwicklung der heimischen Raumfahrttechnik sind Titanlegierungen weit verbreitet. Vom Satelliten Dongfang 1 im Jahr 1970 bis zu den aktuellen Raumfahrzeugen der Shenzhou-Serie und den Chang'e-Mondsonden wurden Titanlegierungen verwendet.

Darüber hinaus wurde die von China entwickelte Gasflasche aus der Niedrigtemperatur-Titanlegierung TA7ELI, die für den Einsatz in einer Flüssigwasserstoffumgebung geeignet ist, in der Trägerraketenreihe Langer Marsch verwendet. Das Harbin Institute of Technology hat die Titanlegierung TC4 für die Herstellung der Felgen der Mondrover verwendet. Darüber hinaus hat China BT20 und andere hochfeste Titanlegierungen zur Herstellung von Triebwerksgehäusen und Düsen von Raketen verwendet.

3. Maritime Anwendungen

Titan und seine Legierungen finden breite Anwendung in Atom-U-Booten, Tieftauchbooten, Atomeisbrechern, Tragflächenbooten, Luftkissenbooten, Minensuchbooten sowie in Propellern, Peitschenantennen, Seewasserleitungen, Kondensatoren, Wärmetauschern, akustischen Geräten und Feuerlöschanlagen. Zum Beispiel hat die U.S.

Das Tieftauchboot "Sea Cliff" ist mit einer Beobachtungskabine und einer Steuerkabine aus Titan ausgestattet und kann bis zu einer Tiefe von 6100 m tauchen. Das japanische Unternehmen Toho Titanium Company baute in Zusammenarbeit mit Fujin Shipbuilding die "Mori Support Heaven II", ein Schnellboot aus Titan, das sich in den USA großer Beliebtheit erfreute. Chinas erstes selbst entworfenes und integriertes bemanntes Tauchboot, die "Jiaolong", verwendet ebenfalls Titanlegierungen und deckt 99,8% der weltweiten Meeresgebiete ab.

4. Bestehende Probleme und Aussichten bei Titan und seinen Legierungen

Trotz der bedeutenden Fortschritte bei der Entwicklung von Titan und seinen Legierungen gibt es nach wie vor Herausforderungen. Diese Herausforderungen lassen sich hauptsächlich in drei Kategorien einteilen:

1) Aspekt der Produktion

China ist ein wichtiger Akteur in der Titanindustrie, aber die Menge an hochwertigen Produkten, die es herstellt, ist gering, und es gibt einen Mangel an Titanprodukten mit besonderen Eigenschaften.

Außerdem ist China noch nicht in der Lage, Titanbänder und stranggepresste Titanprofile in Serie zu produzieren. Diese Einschränkung behindert die Entwicklung und Verwendung von Titan und seinen Legierungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Schifffahrt. Das Ziel, die Verwendung von Titan in Flugzeugtriebwerken auf etwa 50% zu erhöhen, bleibt eine große Herausforderung.

2) Leistungsaspekt

Titan ist chemisch sehr aktiv, was es anfällig für Verunreinigungen durch andere Elemente macht. Dies erfordert ein hohes Maß an Präzision bei der Verarbeitung und Herstellung von Titanlegierungen.

Darüber hinaus erfordern die daraus entstehenden Hochleistungsprodukte eine umfassende Bewertung ihrer mechanischen, physikalischen, chemischen und technologischen Eigenschaften. Der drastische Rückgang der Kriechfestigkeit und die Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit bei Temperaturen über 600 °C sind die beiden größten Hindernisse für eine breitere Anwendung der bestehenden Titanlegierungen.

3) Kostenaspekt

Derzeit werden weltweit Anstrengungen unternommen, um die Kosten für die Anwendung von Titanlegierungen zu senken, und es wurden bereits erhebliche Fortschritte erzielt.

Was jedoch die derzeitige Situation in China betrifft, so haben das Management und das technologische Niveau des Landes noch nicht den Idealzustand erreicht. Die im Inland hergestellten Produkte aus Titanlegierungen sind im internationalen Vergleich preislich nicht wettbewerbsfähig, was sich nachteilig auf ihre breite Verwendung auswirkt.

Derzeit liegen die Hauptanwendungsgebiete von Titanlegierungen noch in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Militärindustrie. Die Aussichten für die Entwicklung neuer Anwendungsbereiche, z. B. in Automobilen, Zügen, Hochgeschwindigkeitszügen und sogar im alltäglichen zivilen Bereich, sind jedoch nach wie vor enorm.

Darüber hinaus sind der Ersatz teurer Legierungselemente durch billigere sowie die Senkung der Kosten von Komponenten aus Titanlegierungen durch technologische Mittel wichtige Themen der künftigen Forschung über Titanlegierungen. Sobald High-End-Anwendungen von Titanlegierungen kostengünstig hergestellt werden können, werden sie in verschiedenen Bereichen Verwendung finden.