Wie viele Titanlegierungssorten gibt es? Die Literatur nennt eine Zahl: mehr als 100. Davon werden 40–50 tatsächlich in der Industrie verwendet, und nur etwa ein Dutzend sind gebräuchlich. Bei so vielen Legierungen wird man allein durch das Auswendiglernen der Sortenbezeichnungen nie ans Ziel kommen. Also taten Metallurgen das denkbar Grundlegendste — sie klassifizierten sie nach dem Gefüge.

Die „Mikrostruktur“ bezieht sich hier darauf, welche Kristallstruktur bei Raumtemperatur tatsächlich in einer Titanlegierung dominiert: die hexagonal dichtest gepackte α-Phase, die kubisch raumzentrierte β-Phase oder eine Mischung aus beiden. Unterschätzen Sie diese Klassifizierung nicht – die Raumtemperatur-Mikrostruktur bestimmt im Wesentlichen, ob die Legierung gut schweißbar ist, kaltumformbar ist, hohen Temperaturen widersteht und wie hoch ihre Festigkeit sein kann. Man könnte sagen, die Mikrostruktur ist der angeborene Charakter des Titans.

Heute werden wir die vier Schulen der Titanlegierungen – α, near-α, α+β und β – in einem Durchgang behandeln. Im chinesischen Nationalstandard werden die Präfixe TA, TC bzw. TB verwendet (kommerziell reines Titan und der α-Typ verwenden TA; der α+β-Typ verwendet TC; der β-Typ verwendet TB), gefolgt von einer Registrierungsnummer, wie TA7, TC4 und TB2.

Nehmen Sie sich eine Minute Zeit, um die zuvor behandelte zugrunde liegende Logik in Erinnerung zu rufen. Titan durchläuft bei 882 °C eine allotrope Umwandlung: Bei hoher Temperatur liegt es als kubisch-raumzentrierte β-Phase vor, bei niedriger Temperatur als hexagonal dichtest gepackte α-Phase. Die Zugabe von Legierungselementen verändert die Einflussbereiche dieser beiden Phasen:

• α-stabilisierende Elemente (Aluminium, Sauerstoff, Stickstoff usw.) erweitern den α-Bereich

Phase, wodurch das Gefüge bei Raumtemperatur überwiegend α ist;

• β-stabilisierende Elemente (Molybdän, Vanadium, Niob, Eisen,

Chrom usw.)

erweitern das β-Phasengebiet; fügt man genügend davon hinzu, kann die β-Phase erhalten bleiben

sogar bei Raumtemperatur;

• Fügt man beide hinzu, wobei die β-Phase 10 %–50 % ausmacht, erhält man eine

α+β-Duplexlegierung.

Somit lassen sich Titanlegierungen, geordnet nach dem β-Phasenanteil bei Raumtemperatur von niedrig bis hoch, natürlicherweise in vier Schulen einteilen: α (fast vollständig α) → nahe-α (β nicht über 10 %) → α+β (β bei 10 %–50 %) → β (vollständig β bei Raumtemperatur). Diese Linie ist im Wesentlichen eine Linie zunehmenden Molybdän-Äquivalents von niedrig bis hoch.

Und die Zustände der α- und β-Phasen sind grundverschieden: Die α-Phase ist hexagonal dichtest gepackt mit wenigen Gleitsystemen, was ihr hohe Festigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und gute Schweißbarkeit verleiht – aber sie lässt sich schwer kaltumformen. Die β-Phase ist kubisch raumzentriert mit vielen Gleitsystemen, daher ist sie weich, zäh, leicht kaltumformbar und kann durch Wärmebehandlung erheblich verfestigt werden. Welche Phase auch dominiert, die Legierung folgt ihrer Veranlagung.

α-Titanlegierungen enthalten hauptsächlich α-stabilisierende Elemente und bestehen im stabilen Raumtemperaturzustand im Wesentlichen zu 100 % aus der α-Phase. Die Vertreter sind kommerziell reines Titan (TA0, TA1, TA2, TA3) und TA7 (Ti-5Al-2.5Sn).

Die charakteristischen Merkmale dieser Gruppe: korrosionsbeständig, gut schweißbar, gute Warmumformbarkeit – aber nicht durch Wärmebehandlung verstärkbar, relativ geringe Festigkeit und nur mäßige Kaltumformbarkeit.

Da das Gefüge einphasiges α mit einer gleichmäßigen Zusammensetzung ist und keine der Komplikationen durch Phasenumwandlungen mit sich bringt, weisen α-Legierungen unter den Titanlegierungen die beste Schweißleistung auf — der Festigkeitskoeffizient einer Schweißverbindung kann nahezu 100 % erreichen. Gerade weil sie einphasig ist und nicht durch Phasenumwandlung verfestigt werden kann, stammt ihre Festigkeit hauptsächlich von Zwischengitterelementen (Sauerstoff, Stickstoff) und der Mischkristallverfestigung durch Aluminium und Zinn, sodass ihre Obergrenze nicht hoch ist.

Die Literatur weist ausdrücklich darauf hin, dass α-Legierungen hauptsächlich in der chemischen, petrochemischen und verarbeitenden Industrie eingesetzt werden, wo nicht die Festigkeit, sondern die Korrosionsbeständigkeit und Verformbarkeit an erster Stelle stehen. Kommerziell reines Titan (TA0–TA3) ist daher die erste Wahl, ebenso wie die korrosionsbeständigen verstärkten Versionen wie palladiumhaltiges TA9 (Ti-0,2Pd) und TA10 (Ti-0,3Mo-0,8Ni) mit geringen Zusätzen von Molybdän und Nickel – diese sind das spezifische Mittel gegen heiße Salzsäure, Schwefelsäure und andere stark reduzierende Säuren und sind das Hauptmaterial für Reaktoren, Wärmetauscher, Rohrleitungen und Chlor-Alkali-Anlagen.

In einem Satz: Die α-Schule strebt nicht nach roher Festigkeit; sie strebt danach, „niemals zu rosten, einwandfrei schweißbar zu sein und ein Leben lang stabil zu funktionieren.“

Near-α-Titanlegierungen fügen einer α-Basis geringe Mengen β-stabilisierender Elemente hinzu; im geglühten Gefüge überschreiten die β-Phase oder intermetallischen Verbindungen im Allgemeinen nicht 10 %. Verachten Sie diese weniger als 10 % β nicht: Sie lassen die Legierung, während sie die Hochtemperaturbeständigkeit und Schweißbarkeit der α-Schule beibehält, bei Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit eine Stufe höher steigen.

Diese Schule existiert fast ausschließlich für die Heißbereiche von Flugtriebwerken. Die Literatur nennt drei Vertreter:

– TA11 (Ti-8Al-1Mo-1V): entwickelt in den

Vereinigten Staaten, vorgesehen für den Hochtemperatureinsatz. Aber sein Aluminiumgehalt ist mit

8 % sehr hoch, was zu Problemen mit Heißsalz-Spannungsrisskorrosion führt — es neigt zu

Rissbildung in heißen, salzhaltigen Umgebungen.

– TA15 (Ti-6,5Al-1Mo-1V-2Zr): Dies ist die russische BT20-

Legierung. Sie ist eine „ähnliche Legierung“ zu TA11, senkt jedoch geschickt den Aluminiumgehalt und fügt

Zirkonium hinzu, wodurch die Warmfestigkeit erhalten bleibt und gleichzeitig das Verhalten bei Heißsalz-Spannungsrisskorrosion

verbessert wird. Sie ist eine klassische Hochtemperatur-Titanlegierung für den Langzeiteinsatz

bei etwa 500 °C, umfangreich verwendet in Flugzeugzellen und Triebwerken

lasttragende Teile.

– TA13 (Ti-2,5Cu): die britische IMI230-Legierung, vom

Typ „α + Verbindung“, verstärkt durch Ti₂Cu-Ausscheidung — eine der wenigen

Near-α-Legierungen, die durch Wärmebehandlung verstärkt werden können.

Die Near-α-Klasse hat auch einen zeitgenössischen Hauptvertreter – TA19 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, internationale Bezeichnung Ti-6242S). Mit einer α-Matrix plus Zinn, Zirkonium, Molybdän und Spuren von Silizium kann seine Langzeiteinsatztemperatur 550 °C erreichen; die Kriechdehnung bei 550 °C über 100 Stunden kann innerhalb von 0,1 % gehalten werden, während er die gute Schweißbarkeit der α-Klasse beibehält (der Festigkeitskoeffizient von argon-lichtbogengeschweißten Verbindungen kann 100 % erreichen). Heute wird es in Hochdruckverdichtergehäusen, Schaufeln und Blisks von Flugtriebwerken eingesetzt, wo es Nickelbasis-Superlegierungen in inländischen Triebwerken und in C919/C929-bezogenen Strukturen ersetzt und Gewichtsreduzierungen von 25 %–30 % erzielt (gemäß technischen Daten von Litai Metal und Kehui Titanium).

Die Designphilosophie der Near-α-Schule ist sehr klar: Halten Sie die β-Phase auf ein Minimum (unter 10 %), behalten Sie die hochtemperaturbeständige α-Matrix fast vollständig bei und verwenden Sie Elemente wie Zinn, Zirkonium, Molybdän und Silizium zur Hochtemperatur-Mischkristallverfestigung und Kriechfestigkeitssteigerung. Es ist die optimale Lösung für „Wärmebeständigkeit plus Schweißbarkeit plus etwas mehr Festigkeit“.

α+β-Titanlegierungen enthalten eine relativ große Menge an β-stabilisierenden Elementen; bei Raumtemperatur koexistieren die α- und β-Phasen, wobei der β-Gehalt im Allgemeinen 10 %–50 % beträgt. Dies ist die wichtigste und am stärksten genutzte Schule unter den Titanlegierungen.

Ihre charakteristischen Schlüsselwörter: mittlere Festigkeit, wärmebehandelbar zur Verfestigung, hervorragende umfassende Leistungsfähigkeit — aber relativ schlechte Schweißbarkeit.

Da es zwei Phasen gibt, können α+β-Legierungen über einen weiten Bereich hinsichtlich Festigkeit, Plastizität und Zähigkeit „abgestimmt“ werden, indem die Wärmebehandlung (Lösungsglühen + Auslagern / Duplexglühen) und das Zweiphasenverhältnis angepasst werden – etwas, was einphasige α-Legierungen nicht können. In Tabelle 6-1 hat diese Schule eine luxuriöse Aufstellung:

– TC1 (Ti-2Al-1,5Mn): geglühter Zustand, niedrige Kosten,

gute Umformbarkeit;

– TC4 (Ti-6Al-4V): geglühter Zustand, der

absolute Star;

– TC6 (Ti-6Al-1,5Cr-2,5Mo-0,5Fe-0,35Si): duplexgeglüht;

– TC10 (Ti-6Al-6V-2Sn-0,5Cu-0,5Fe): geglüht

Zustand, höhere Festigkeit;

– TC11 (Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si): Duplex-geglüht,

warmfeste Type.

Über TC4 müssen noch einige Worte gesagt werden: Ti-6Al-4V wurde 1954 vom Watertown Arsenal in den Vereinigten Staaten erfolgreich entwickelt und wird in der Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet eingesetzt; seine Produkte machen 55 %–65 % der gesamten Titanlegierungsproduktion aus, und es kann als großformatige Luftfahrt-Schmiedestücke jeder Art hergestellt werden. Es besitzt eine hervorragende Gesamtleistung, ist am gründlichsten erforscht, wird am längsten eingesetzt und hat das breiteste Anwendungsspektrum – „ein halbes Jahrhundert nach seiner Entstehung bewahrt es noch immer seine lebendige Vitalität.“

Es ist auch ein „onegrade travels the world“-Weltbürger, mit einer entsprechenden Güteklasse in jedem Land:

• China: TC4

• Timet Division, USA: Ti-6Al-4V; Reactive Metals Inc., USA:

RMI 6Al-4V; entspricht ASTM Grade 5

• UK, IMI: IMI 318

• Russland: BT6

• Japan, Sumitomo: ST-A140

• Frankreich: TA6V

• Deutschland, Krupp: LT31

Warum verwendet die ganze Welt es? 6 % Aluminium stabilisieren α und 4 % Vanadium stabilisieren β, was zu einem Zweiphasenverhältnis führt, das genau richtig ist – hohe Festigkeit (geglühte Zugfestigkeit ≥ 895 MPa), ausreichende Plastizität, Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit (wenn auch nicht so gut wie bei α-Legierungen), Wärmebehandelbarkeit und Biokompatibilität: Es hat praktisch keine Nachteile. Es ist der „Allround-Spitzenreiter“ unter den Titanlegierungen.

Trotzdem weist das Lehrbuch auch auf die Schwachstelle der α+β-Familie hin: die relativ schlechte Schweißbarkeit. Denn bei der schnellen Erwärmung und Abkühlung beim Schweißen erfährt die β-Phase im zweiphasigen Gefüge eine martensitische Umwandlung, wodurch die Verbindung zur Versprödung und zum Verlust der Plastizität neigt. Aus diesem Grund werden für kritische Schweißteile oft α- / nahe-α-Legierungen bevorzugt oder eine spezielle Wärmebehandlung nach dem Schweißen verlangt.

β-Titanlegierungen enthalten genügend β-stabilisierende Elemente, dass bei einer geeigneten Abkühlgeschwindigkeit das Gefüge bei Raumtemperatur vollständig aus β-Phase bestehen kann. Das Lehrbuch unterteilt sie weiter in zwei Kategorien: wärmebehandelbare β-Titanlegierungen (metastabiles β) und thermisch stabile β-Titanlegierungen.

Diese Schule hat den „gespaltensten“ und bemerkenswertesten Charakter:

Nach dem Abschrecken sind metastabile β-Legierungen bei Raumtemperatur ein weiches einphasiges β mit hervorragender Verarbeitungsplastizität; Bleche können kaltumgeformt, kaltgebogen und kaltgestaucht werden, ähnlich wie Aluminiumlegierungen, und der Biegeradius kann sich dem 0,5-fachen der Blechdicke nähern (α+β TC4 benötigt typischerweise das 3–4-fache der Blechdicke und neigt immer noch zum Reißen). Für komplex geformte Blechteile, Federn und Befestigungselemente ist dies eine enorm gute Nachricht.

Nach der Umformung ermöglicht eine Alterungsbehandlung die disperse Ausscheidung nanoskaliger α-Phase aus der β-Matrix, und die Festigkeit kann eine Raumtemperatur-Zugfestigkeit von bis zu 1.300–1.400 MPa erreichen – die höchste unter den vier Gruppen.

Der Vertreter im Lehrbuch, Tabelle 6-1, ist TB2 (Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al), dessen Zustand mit „abgeschreckt / abgeschreckt und ausgehärtet“ gekennzeichnet ist — das Paradebeispiel für „erst weich formen, dann durch Aushärten härten“.

Die klassischen Anwendungen der β-Schule sind Federn und Befestigungselemente. Nehmen wir die berühmte Beta-C-Legierung (Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr, US Grade 19): In den 1960er Jahren entwickelt, um das schwer zu verarbeitende Ti-13V-11Cr-3Al zu ersetzen, ist sie im lösungsgeglühten Zustand extrem weich und kann kalt zu Formen gewickelt werden; nach der Alterung kann ihre Zugfestigkeit 1.100–1.200 MPa erreichen. Mit 40%–50% weniger Gewicht als Stahlfedern und höherer Energiespeicherdichte wird sie häufig in Fahrwerkfedern von Flugzeugen, Hochleistungs-Ventilfedern und hochfesten korrosionsbeständigen Komponenten für Öl- und Gasbohrungen eingesetzt (Erfüllung der NACE MR0175-Anforderungen für saure H₂S-Umgebungen). Die NASA hat sogar in einer Mars-Probenrückführmission verifiziert, dass Beta-C-Federn nach 3.000 Zyklen bei einer Tiefraum-Temperatur von −135 °C zuverlässig blieben (gemäß NASA-Technikberichten und Daten von Titanium Industries).

Der Preis, den die β-Schule zahlt: viele Legierungselemente (Molybdän, Vanadium und Chrom sind alle teuer), relativ hohe Dichte, hohe Kosten und Empfindlichkeit gegenüber der Wärmebehandlungspraxis. Daher wird sie dort eingesetzt, wo „die Leistung den Preis wert ist“.

Sobald Sie diese Tabelle verstehen, haben Sie die „ersten Prinzipien“ der Titanlegierungsauswahl erfasst: Für Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit wählen Sie α; für Hochtemperaturbeständigkeit wählen Sie nahe-α; für Allround-Leistung wählen Sie α+β (mit TC4 als sicherer Standard); für Kaltumformbarkeit plus Ultrahochfestigkeit wählen Sie β.

Von jener Hitze von Ti-6Al-4V im Watertown Arsenal im Jahr 1954 bis zu den heutigen KI-entworfenen β-Titanlegierungen der 1.400-MPa-Klasse – was sich ändert, sind die Festigkeitswerte und Fertigungsprozesse – was sich nicht ändert, ist diese zugrunde liegende Logik der Klassifizierung nach Mikrostruktur. Unter den vier Schulen gibt es kein Hoch oder Niedrig, kein Edel oder Unedel; es gibt nur „den richtigen Einsatz am richtigen Ort“.