Einführung in die Eigenschaften von Titanlegierungen
Titanlegierungen sind eine Klasse von Metallen, deren Leistung durch das Vorhandensein von Verunreinigungen wie Kohlenstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Sauerstoff beeinflusst wird. Die reinste Form von Titan hat einen Verunreinigungsgehalt von weniger als 0,1 %, was zu hoher Plastizität, aber geringer Festigkeit führt. Industrielles Reintitan mit einer Reinheit von 99,5 % weist folgende Eigenschaften auf: Dichte (ρ) von 4,5 g/cm3, Schmelzpunkt von 1725 Grad, Wärmeleitfähigkeit (λ) von 15,24 W/(m·K), Zugfestigkeit ( σb) von 539 MPa, Dehnung (δ) von 25 %, Querschnittsschrumpfung (ψ) von 25 %, Elastizitätsmodul (E) von 1,078×105 MPa und eine Härte (HB) von 195.
1. Geringe Dichte und hohe Festigkeit: Hochfeste Titanlegierungen haben typischerweise eine Dichte von etwa 4,5 g/cm3, was nur 60 % der Dichte von Stahl entspricht. Reines Titan weist eine mit gewöhnlichem Stahl vergleichbare Festigkeit auf, während bestimmte hochfeste Titanlegierungen die Festigkeit vieler legierter Baustähle übertreffen. Folglich besitzen Titanlegierungen eine deutlich höhere spezifische Festigkeit (Festigkeits-/Dichteverhältnis) als andere metallische Strukturmaterialien. Diese Eigenschaft ermöglicht die Herstellung leichter Teile und Komponenten mit hoher Festigkeit, Steifigkeit und Haltbarkeit. Titanlegierungen finden Anwendung in Motorkomponenten, Skeletten, Häuten, Befestigungselementen und Fahrwerken.
2. Hohe thermische Festigkeit: Titanlegierungen können ihre erforderliche Festigkeit bei erhöhten Temperaturen beibehalten und übertreffen die Fähigkeiten von Aluminiumlegierungen um mehrere hundert Grad Celsius. Zwischen 150 und 500 Grad behalten sie ihre hohe spezifische Festigkeit bei, während bei Aluminiumlegierungen bei 150 Grad ein deutlicher Abfall der spezifischen Festigkeit zu verzeichnen ist. Titanlegierungen können bei Temperaturen bis zu 500 Grad betrieben werden, während Aluminiumlegierungen auf Temperaturen unter 200 Grad beschränkt sind.
3. Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit: Titanlegierungen weisen im Vergleich zu Edelstahl in feuchten Atmosphären und Meerwasserumgebungen eine überlegene Korrosionsbeständigkeit auf. Sie zeichnen sich besonders durch ihre Beständigkeit gegen Lochfraß, Säurekorrosion und Spannungskorrosion aus. Darüber hinaus weisen Titanlegierungen eine bemerkenswerte Beständigkeit gegenüber Schwefelsäure, Salpetersäure, Chloriden und chlorierten organischen Verbindungen auf. Bei abnehmenden Sauerstoff- und Chromsalzbedingungen weist Titan jedoch eine geringe Korrosionsbeständigkeit auf.
4. Gute Leistung bei niedrigen Temperaturen: Titanlegierungen behalten ihre mechanischen Eigenschaften bei niedrigen und extrem niedrigen Temperaturen. Bestimmte Titanlegierungen wie TA7 funktionieren bei niedrigen Temperaturen außergewöhnlich gut und behalten auch bei -253 Grad einen Teil ihrer Plastizität. Daher sind Titanlegierungen entscheidende Strukturmaterialien für Tieftemperaturanwendungen.
5. Chemische Reaktivität: Titan weist eine erhebliche chemische Aktivität auf und reagiert leicht mit Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserdampf und Ammoniakgas in der Atmosphäre. Hartes TiC bildet sich in Titanlegierungen bei höheren Kohlenstoffgehalten (über 0,2 %). Wenn TiN bei hohen Temperaturen mit Stickstoff interagiert, entsteht eine harte Oberflächenschicht. Titan absorbiert Sauerstoff über 600 Grad, was zur Bildung einer gehärteten Schicht mit hoher Härte führt. Ein erhöhter Wasserstoffgehalt führt zur Bildung einer Versprödungsschicht. Die Tiefe der durch Gasabsorption gehärteten spröden Oberfläche kann 0,1-0,15 mm erreichen, bei einem Härtungsgrad von 20 %-30 %. Titan weist außerdem eine erhebliche chemische Affinität auf und bildet leicht eine Haftung an Reibungsoberflächen.
6. Wärmeleitfähigkeit und Elastizitätsmodul: Titan besitzt eine geringe Wärmeleitfähigkeit, etwa ein Viertel der von Nickel, ein Fünftel der von Eisen und ein Viertel der von Aluminium. Die Wärmeleitfähigkeit verschiedener Titanlegierungen ist im Vergleich zu reinem Titan etwa 50 % geringer. Da Titanlegierungen einen Elastizitätsmodul haben, der etwa halb so hoch ist wie der von Stahl, sind sie weniger steif und anfälliger für Verformungen. Daher müssen dünne Stäbe und dünnwandige Bauteile vermieden werden, da Schnitt- und Bearbeitungsflächen ein großes Rückprallvolumen aufweisen – etwa zwei- bis dreimal so viel wie Edelstahl. Dieser Rückprall kann zu starker Reibung, Adhäsion und Bindungsverschleiß auf der Werkzeugoberfläche führen.
Titanlegierungen bestehen aus Titan als Grundmetall, ergänzt durch andere Elemente. Es gibt zwei Arten von Titankristallstrukturen: Titan, das unterhalb von 882 Grad eine dicht gepackte hexagonale Struktur aufweist, und Titan, das oberhalb von 882 Grad eine kubisch-raumzentrierte Struktur aufweist.
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