Titanlegierungenweisen aufgrund ihrer Zusammensetzung und Struktur unterschiedliche Eigenschaften auf. Titan hat zwei Kristallstrukturen: -Titan mit einem hexagonalen Gitter unterhalb von 882 Grad und -Titan mit einer kubisch-raumzentrierten Struktur oberhalb von 882 Grad. Durch Zugabe geeigneter Legierungselemente können der Phasengehalt und die Übergangstemperaturen manipuliert werden, um verschiedene Arten von Titanlegierungen zu erhalten. Bei Raumtemperatur können Titanlegierungen in drei Kategorien eingeteilt werden.
1. Titanlegierung: Diese einphasige Legierung besteht aus einer -phasigen festen Lösung. Es behält seine -Phasenstruktur sowohl bei normalen als auch bei erhöhten Temperaturen bei. Die Titanlegierung weist eine stabile Organisation, eine geringere Verschleißfestigkeit im Vergleich zu reinem Titan und eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit auf. Obwohl es seine Festigkeit und Kriechfestigkeit zwischen 500-600 Grad beibehält, kann es nicht durch Wärmebehandlung verstärkt werden. Die Raumtemperaturfestigkeit einer Titanlegierung ist nicht besonders hoch.
2. Beta-Titanlegierung: Diese einphasige Legierung besteht aus einer -phasigen festen Lösung. Es besitzt auch ohne Wärmebehandlung eine hohe Festigkeit. Darüber hinaus kann die Legierung durch Prozesse wie Abschrecken und Altern weiter verstärkt werden. Die Zugfestigkeit einer Beta-Titanlegierung bei Raumtemperatur kann 1372-1666 MPa erreichen.
3. Alpha-Beta-Titanlegierung: Diese Duplexlegierung weist eine hervorragende Gesamtleistung auf, einschließlich guter Organisationsstabilität, Zähigkeit, Plastizität und Hochtemperaturverformungseigenschaften. Es eignet sich gut für die Heißdruckverarbeitung, das Abschrecken und die Alterung, um seine Festigkeit zu erhöhen. Die wärmebehandelte Alpha-Beta-Titanlegierung weist im Vergleich zum geglühten Zustand eine Festigkeitssteigerung von 50-100 % auf. Es hält einem Langzeitbetrieb bei Temperaturen von 400-500 Grad stand und weist eine bemerkenswerte thermische Stabilität auf, die nur der Alpha-Titanlegierung überlegen ist.
Unter diesen drei Arten von Titanlegierungen werden am häufigsten Titanlegierungen und Alpha-Beta-Titanlegierungen verwendet. In Bezug auf die Bearbeitbarkeit bietet eine Titanlegierung eine bessere Leistung, gefolgt von einer Alpha-Beta-Titanlegierung, während die Beta-Titanlegierung zurückbleibt. Die entsprechenden Codes für diese Legierungen sind TA für Titanlegierung, TB für Beta-Titanlegierung und TC für Alpha-Beta-Titanlegierung.
Leistungsmerkmale von Titanlegierungen:
1. Hohe Festigkeit: Titanlegierungen haben eine Dichte von etwa 4,51 g/cm³, was nur 60 % der Dichte von Stahl entspricht. Einige hochfeste Titanlegierungen übertreffen die Festigkeit vieler legierter Baustähle. Folglich übertrifft die spezifische Festigkeit (Festigkeit/Dichte) von Titanlegierungen die anderer metallischer Strukturmaterialien. Diese Legierungen eignen sich ideal für die Herstellung von Leichtbauteilen mit hoher Festigkeit und Steifigkeit, beispielsweise Flugzeugtriebwerksteilen, Skeletten, Häuten, Befestigungselementen und Fahrwerken.
2. Hohe thermische Festigkeit: Titanlegierungen können im Vergleich zu Aluminiumlegierungen höheren Temperaturen standhalten. Sie können ihre erforderliche Festigkeit auch bei mittleren Temperaturen beibehalten und weisen eine außergewöhnliche Festigkeit zwischen 150-500 Grad auf. Im Gegensatz dazu kommt es bei Aluminiumlegierungen bei 150 Grad zu einem deutlichen Festigkeitsverlust. Der Arbeitstemperaturbereich von Titanlegierungen reicht bis zu 500 Grad, während Aluminiumlegierungen auf Temperaturen unter 200 Grad beschränkt sind.
3. Hervorragende Korrosionsbeständigkeit: Titanlegierungen verfügen über eine überlegene Korrosionsbeständigkeit in feuchten Atmosphären und Meerwasser und übertreffen damit Edelstahl. Sie weisen eine robuste Beständigkeit gegen Lochfraß, Säurekorrosion und Spannungskorrosion auf. Titanlegierungen weisen außerdem eine hervorragende Beständigkeit gegenüber Alkalien, Chloriden, chlororganischen Substanzen, Salpetersäure, Schwefelsäure usw. auf. Sie weisen jedoch eine schlechte Korrosionsbeständigkeit gegenüber reduzierenden Umgebungen auf, die Sauerstoff und Chromsalze enthalten.
4. Gute Leistung bei niedrigen Temperaturen: Titanlegierungen behalten ihre mechanischen Eigenschaften auch bei niedrigen und extrem niedrigen Temperaturen. Aufgrund ihres niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten behalten bestimmte Titanlegierungen wie TA7 auch bei -253 Grad eine gewisse Plastizität bei. Daher sind Titanlegierungen entscheidende Strukturmaterialien für Tieftemperaturanwendungen.
5. Erhebliche chemische Aktivität: Titan weist eine hohe chemische Aktivität auf und reagiert stark mit atmosphärischen Elementen wie Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserdampf und Ammoniak. Wenn der Kohlenstoffgehalt beispielsweise 0,2 % übersteigt, bilden sich in der Legierung harte Titancarbide (TiC). Ebenso führt die Reaktion mit Stickstoff bei höheren Temperaturen zur Bildung harter Titannitrid (TiN)-Oberflächenschichten. Titan absorbiert leicht Sauerstoff über 600 Grad, was zur Bildung einer gehärteten Schicht führt. Darüber hinaus kann ein erhöhter Wasserstoffgehalt zur Bildung einer spröden Schicht führen. Diese Reaktionen können zu Adhäsionserscheinungen an Reibflächen führen.
6. Geringe Wärmeleitfähigkeit und Elastizität: Titan besitzt eine geringe Wärmeleitfähigkeit (ca. 15,24 W/(m·K)). Seine Wärmeleitfähigkeit beträgt etwa 1/4 von Nickel, 1/5 von Eisen und 1/14 von Aluminium. Titanlegierungen weisen im Vergleich zu reinem Titan eine noch geringere Wärmeleitfähigkeit auf.
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