Titan 101: Eigenschaften, Herstellung und Legierungsfamilien

Titanium nimmt unter den Konstruktionsmetallen eine ungewöhnliche Stellung ein: Es ist das vierthäufigste Element in der Erdkruste, dennoch kostet das fertige Material mehr als fast jedes andere Konstruktionsmetall. Diese Notiz erklärt, wo es herkommt, warum es kostet, was es kostet, was die drei Legierungsfamilien tatsächlich sind und wie die Nummer auf einer Zeichnung auf das Material übertragen wird, das in der Werkstatt ankommt.

1. Was Titan ist

Titan (Ti, Ordnungszahl 22) befindet sich in Gruppe 4 des Periodensystems, zusammen mit Zirkonium und Hafnium. Sein Atomgewicht beträgt 47,867. Das Metall ist silbergrau und deutlich leichter als Stahl bei einer Dichte von etwa 4,51 g/cm³ — etwa 57 % Stahl und ungefähr 1,6 Mal Aluminium — und es zeichnet sich vor allem durch einen äußerst zähen passiven Oxidfilm aus.

Diese Oxidschicht (TiO₂) bildet sich spontan an der Luft, ist chemisch stabil und bildet sich sofort wieder, wenn es beschädigt wird. Es ist der Grund, warum Titan so gut gegen Meerwasser, Chloride und oxidierende Säuren beständig ist. Es ist auch der Grund, warum das Metall biologisch inert ist – es ist der Film, nicht das Metall, dem das Gewebe des Körpers tatsächlich begegnet.

Physikalische Konstanten

Handelspurenreinheit

Die mechanischen Eigenschaften von Titan hängen stark von seinem interstitiellen Gehalt ab — Kohlenstoff, Stickstoff, Wasserstoff und insbesondere Sauerstoff. Das reinste kommerziell verfügbare Material, Iodidtitan, enthält weniger als 0,1 % Verunreinigungen, ist jedoch weich und hoch duktil. Am anderen Ende liefert 99,5 % kommerziell reines Titan (Industriestandard) typischerweise:

2. Wie Titan hergestellt wird und warum es kostet, was es kostet

Titan ist reichlich vorhanden. Titan Metall ist teuer, und die beiden Tatsachen stehen nicht im Widerspruch — die Kosten liegen in der Gewinnung und dem Schmelzen, nicht im Erz.

Der Rohstoff ist Rutil (TiO₂) oder Ilmenit (FeTiO₃). Titan kann nicht einfach mit Kohlenstoff reduziert werden wie Eisen, weil Titan bei hoher Temperatur mit Kohlenstoff sowie mit Stickstoff und Sauerstoff in der Luft reagiert. Der industrielle Weg ist die Kroll-Prozess, entwickelt in den 1940er Jahren:

1. Chlorierung. Rutil wird bei hoher Temperatur mit Chlor und Kohlenstoff umgesetzt, um Titantetrachlorid (TiCl) zu erzeugen₄), eine flüchtige Flüssigkeit, die destilliert werden kann, um sie von den anderen vorhandenen Metallchloriden zu trennen.
2. Reduktion. TiCl₄ wird unter einer inerten Atmosphäre mit Magnesium reduziert, um Titmetall und Magnesiumchlorid zu erhalten.
3. Vakuumdestillation. Das Magnesiumchlorid und das verbleibende Magnesium werden durch Vakuumdestillation entfernt, wodurch ein Titan-Schwamm zurückbleibt.
4. Schmelzen. Der Schwamm wird zu einer Elektrode verdichtet und geschmolzen — normalerweise durch Vakuumlichtbogenschmelzen (VAR), manchmal durch Elektronenstrahl- oder Plasmalichtbogenschmelzen — um einen Barren zu erhalten.

Die industrielle Titanproduktion begann in 1948. Zwei Folgen dieses Weges erklären den Preis:

• Es ist ein Chargenprozess mit mehreren Hochtemperaturschritten unter Atmosphärenkontrolle. Jede Stufe verbraucht Energie: Der Kroll-Prozess ist pro Tonne um eine Größenordnung energieintensiver als die Stahlherstellung.
• Kontamination ist der Feind. Die Aufnahme von Sauerstoff und Stickstoff in jeder Phase erhöht die Härte und zerstört die Duktilität, daher muss das Schmelzen im Vakuum oder in einer Inertatmosphäre erfolgen, und das Nachschmelzen wird oft wiederholt, um den Barren zu homogenisieren. Nachverbraucherschrott kann im Allgemeinen nur in ein Produkt niedrigerer Qualität recycelt oder nach sorgfältiger Sortierung erneut geschmolzen werden.

Das Ergebnis ist, dass die Kosten für Titan Prozesskosten und keine Knappheitskosten sind. Es ist auch der Grund, warum der Schrottpreis von Titan vergleichsweise hoch ist und warum die Industrie Späne und Verschnitt als wiederverwertbares Gut und nicht als Abfall behandelt.

3. Die allotrope Umwandlung — die einzelne Tatsache, die Titan erklärt

Unten 882 °C Titan hat eine dicht gepackte hexagonale Kristallstruktur, genannt Alpha (α). Oberhalb von 882 °C hat es eine raumzentrierte kubische Struktur, genannt Beta (β). Der Übergang ist reversibel.

Alles über Titanlegierungen folgt daraus. Legierungselemente werden danach klassifiziert, was sie mit der Umwandlungstemperatur tun, und die bei Raumtemperatur vorhandenen Phasen bestimmen die Familie der Legierung:

Interstitiale — die Verunreinigungen, die zählen

Sauerstoff und Stickstoff sind der Grund, warum Titan-Schweißen Schutzgas benötigt und warum ein Titanbauteil, das in einem heißen Ofen ohne Atmosphärenkontrolle zurückgelassen wird, ruiniert wird, anstatt nur verfärbt zu sein. Wasserstoff ist der Grund, warum wasserstoffhaltige Schneidflüssigkeiten und Beizbäder als Prozessgefahren behandelt werden – siehe die Bearbeitungshinweis.

4. Die drei Legierungsfamilien

Bei Raumtemperatur hat eine Titanlegierung eine von drei Matrixstrukturen. Nationale Bezeichnungssysteme unterscheiden sich — die USA verwenden Gradzahlen, China verwendet TA/TC/TB, Russland verwendet BT und Großbritannien IMI — aber die Familien sind überall gleich.

Alpha-Legierungen (α) — TA-Serie, handelsübliche Reinstgrade

Einstufige Alpha-Festlösung. Nicht wärmebehandelbar — die Festigkeitssteigerung erfolgt nur durch Festlösung und durch interstitiellen Gehalt.

• Stärken: strukturell stabil bei Temperatur; bessere Verschleißfestigkeit als reines Titan; starke Oxidationsbeständigkeit; behält Festigkeit und Kriechfestigkeit bis 500–600 °C; ausgezeichnete Schweißbarkeit; ausgezeichnete kryogene Zähigkeit.
• Schwächen: kann durch Wärmebehandlung nicht gehärtet werden, daher ist die Festigkeit bei Raumtemperatur bescheiden; die Bearbeitbarkeit ist die beste der drei Familien.
• Verwendet für: chemische und verfahrenstechnische Anlagen, Rohr für Wärmetauscher, geschweißte Baugruppen, kryogene Behälter und – wo die Alpha-Familie nahe-Alpha-Legierungen umfasst – Hochtemperatur-Kompressorkomponenten.

Alpha-Beta-Legierungen (α β) — TC-Serie

Zweiphasiges Gemisch aus Alpha und Beta. Durch Lösungsglühen und Auslagern härtbar, was zu einer erheblichen Festigkeitssteigerung gegenüber dem geglühten Zustand führt – üblicherweise wird nach der Wärmebehandlung eine Verbesserung von 50–100 % angegeben.

• Stärken: die beste Allround-Balance der drei; stabile Struktur; gute Zähigkeit, Dehnbarkeit und Warmumformbarkeit; gute Warmbearbeitung; behält langfristig Festigkeit bei 400–500 °C.
• Schwächen: Die thermische Stabilität ist niedriger als bei der Alpha-Familie, daher ist ein dauerhaftes Hochtemperatureinsatz ein Kompromiss; die Bearbeitbarkeit ist mittel.
• Verwendet für: der Großteil des strukturellen Titans — Kompressorscheiben und -schaufeln, Flugzeugstruktur, Befestigungselemente, medizinische Implantate und allgemeine Maschinenbauteile.
• Das Flaggschiff: Ti-6Al-4V, entwickelt 1954, macht den Großteil aller verwendeten Titanlegierungen aus. Die meisten anderen Titanlegierungen können als Modifikation davon betrachtet werden.

Beta-Legierungen (β) — TB-Serie

Einphasige Beta-Festlösung. Hohe Festigkeit auch ohne Wärmebehandlung und weiter durch Abschrecken und Auslagern verstärkt; die Festigkeit bei Raumtemperatur kann in den stärksten Sorten 1372–1666 MPa erreichen.

• Stärken: höchste erreichbare Festigkeit der drei, mit hervorragender Kalt- und Warmumformbarkeit – mehrere Beta-Legierungen lassen sich besser kaltbearbeiten als handelsübliches Reintitan; schmiedbar und schweißbar; bessere Zähigkeit bei hoher Festigkeit als Alpha-Beta-Legierungen.
• Schwächen: schlechtere thermische Stabilität, daher ungeeignet für den dauerhaften Einsatz bei hohen Temperaturen; die schwierigste Familie zu bearbeiten.
• Verwendet für: Hochfeste Verbindungselemente und Federn, kaltgeformte Bauteile, Flugzeugstrukturen und – im medizinischen Bereich – Implantatanwendungen, bei denen ein niedriger Modul gewünscht ist.

Andere Noten, die es wert sind, zu kennen

• Nahezu-alpha Legierungen. Alpha-Legierungen mit einem geringen Beta-Zusatz (typischerweise 1–2 %) zur Verbesserung der Kriechbeständigkeit bei hoher Temperatur – die Hauptstütze von Kompressoranwendungen bei 500 °C und darüber.
• Titanaluminide. Intermetallische Verbindungen statt Legierungen: Ti₃Al (α₂) mit einer Betriebstemperatur von etwa 816 °C und TiAl (γ) bei etwa 982 °C. Die Dichte beträgt etwa die Hälfte der von Nickelbasis-Superlegierungen, mit hoher Oxidations- und Kriechbeständigkeit – der Grund, warum sie für Hochtemperatur-Luftfahrtstrukturen in Frage kommen.
• Nickel-Titan-Legierungen. Nitinol und verwandte Zusammensetzungen zeigen Formgedächtnis und Superelastizität. Verwendet für Gefäßstents, Thrombusfilter, Wirbelsäulenkorrekturstangen, kieferorthopädische Bögen, Knochenplatten, intramedulläre Nägel und Herzklappenkomponenten.

5. Das Ablesen des Notenaufrufs

Die Zahl auf einer Zeichnung enthält drei Informationen, und es lohnt sich, sie zu trennen, da sie in unterschiedlichen Dokumenten angegeben sind.

1. Die Bezeichnung — ein Name in einem nationalen oder branchenspezifischen System. GR5, TC4, Ti-6Al-4V, BT6 und IMI 318 beschreiben alle die gleiche Alpha-Beta-Legierung.
2. Die geltende Spezifikation — der Standard, den das Material tatsächlich erfüllen muss. Dies legt die chemischen Grenzwerte, Mindestwerte der mechanischen Eigenschaften und zulässigen Prüfmöglichkeiten fest. Eine Bezeichnung ohne Spezifikation ist keine Bestellung.
3. Die Bedingung — geglüht, spannungsarm geglüht, lösungsgeglüht und gealtert, walzgegühlt. Dieselbe Legierung kann in zwei Zuständen deutlich unterschiedliche Eigenschaften haben, daher ist die Angabe der Wärmebehandlung eine Materialentscheidung und kein Produktionsdetail.

Extra-niedriges Interstitiell (ELI)

Anfügen ELI eine Bezeichnung weist auf engere Grenzen für Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff hin und auf einen geringeren Eisenanteil. Das Ergebnis ist eine geringere Festigkeit bei deutlich besserer Zähigkeit und Duktilität sowie besserer Schweißbarkeit. Grad 5 wird zu Grad 23; TC4 wird zu TC4 ELI. Die Varianten sind separate Walzstraßen mit separaten Zertifikaten, nicht eine Toleranzbandbreite beim gleichen Produkt.

ELI wird dort angegeben, wo Zähigkeit entscheidend ist (Schadens-Toleranz-Design), wo der Einsatz kryogen ist oder wo das Bauteil ein chirurgisches Implantat ist. Es ist nicht allein durch Schwierigkeit oder Toleranz gerechtfertigt. Siehe der Vergleich zwischen TC4 und TC4 ELI.

6. Was Titan besser kann als andere Metalle

Wo Titan die falsche Wahl ist

• Reduzierende Säuren und Chromsalzmedien. Titaniums Widerstand ist gegen diese schlecht. Der Mechanismus, der das Metall unter oxidierenden Bedingungen schützt, ist der Mechanismus, der hier versagt.
• Spaltkorrosion bei heißem Chloreinsatz. Das Grundmetall widersteht der Massseflüssigkeit und korrodiert dann innerhalb eines engen Spalts. Dagegen ist ein Schutzdesign möglich — siehe die Spaltkorrosionsnotiz — aber es muss dagegen entworfen werden.
• Sehr leichte Schnitte, wasserstoffhaltiger Kühlmittel, chloridhaltiger Kühlmittel. Eine Prozessbeschränkung statt einer materiellen, aber sie muss respektiert werden.
• Elektrische und thermische Leitfähigkeit. Geringe Leitfähigkeit in beiden Punkten.
• Kostenempfindliche, hochvolumige, nicht-strukturelle Teile. Aluminium oder Zink erledigen die Arbeit zu einem Bruchteil des Preises.

7. Wo Titan verwendet wird

• Luft- und Raumfahrt. Die ursprüngliche Anwendung und immer noch die definierende. Triebwerksverdichterkomponenten — Fan- und Verdichterblätter, Scheiben, Gehäuse, Lagergehäuse, Zwischengehäuse — sowie Flugzeugstruktur, Beplankungen, Befestigungen und Fahrwerk. Moderne Militärflugzeuge bestehen zu 20–25 % aus Titan nach Strukturgewicht; der Anteil steigt mit der Mach-Zahl stark an, weil der Sinn von Titan darin besteht, Stahl zu ersetzen und Gewicht zu sparen.
• Chemische und verfahrenstechnische Anlage. Wärmetauscher, Kondensatoren, Prozessrohrleitungen, Pumpen und Ventile, insbesondere im Einsatz mit Meerwasser, Sole, feuchtem Chlor und oxidierender Säure.
• Medizinisch. Implantate, Knochenplatten und Schrauben, Gelenkersatz, Wirbelsäuleninstrumente, Zahnimplantate, chirurgische Instrumente und Nitinol-Geräte von Stents bis zu kieferorthopädischen Drähten.
• Entsalzung und Meer Umgang mit Meerwasser, Offshore- und Schiffssystemen.
• Verbrauchs- und Premiumgüter. Brillenfassungen, Uhren, Fahrräder, Sportgeräte — Anwendungen, die auf Gewicht, Stärke und Verarbeitung setzen, statt auf Temperaturbeständigkeit.
• Energie und Kryotechnik. LNG-Handhabung, kryogene Prozessausrüstung, Druckbehälter und Lagertanks.

8. Die praktische Zusammenfassung

Drei Dinge entscheiden, ob ein Titanteil wirtschaftlich ist, und alle drei werden entschieden, bevor ein einziger Span geschnitten wird:

1. Die Note — was die Familie und damit die Zerspanbarkeit, den Wärmebehandlungsweg und die erreichbare Festigkeit festlegt.
2. Die Spezifikation, auf die verwiesen wird — was die Chemie, die Eigenschaftenböden und die Testgrundlage korrigiert.
3. Die Bedingung — geglüht, spannungsfrei geglüht, lösungsgehandhabt und gealtert — was die Eigenschaften ebenso stark verändern kann wie die Legierung.

Wenn man diese drei richtig macht, ist das Material vorhersehbar. Wenn man sie falsch macht, wird das Material immer noch genau nach der Zeichnung hergestellt — was die teure Art ist, herauszufinden, dass die Zeichnung falsch war.