11Cr-3Al (TC11)
Einführung in 11Cr-3Al (TC11)
11Cr-3Al, bezeichnet als TC11, ist eine hochfeste, hochtemperaturbeständige Alpha-Beta-Titanlegierung, die primär für anspruchsvolle Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie der Energieerzeugung entwickelt wurde. Mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen, ausgezeichneter Kriechbeständigkeit und stabilem Oxidationsverhalten ist TC11 ideal für Einsatzumgebungen bis zu 500 °C.
Die hohe Festigkeit der Legierung und ihre gute Zerspanbarkeit im geglühten oder lösungsbehandelten Zustand machen sie zu einer ausgezeichneten Wahl für CNC-gefertigte Titanteile. Bei der Bearbeitung mit modernen CNC-Bearbeitungsdienstleistungen erreichen TC11-Bauteile hohe Präzision, überlegene Ermüdungsfestigkeit und langfristige thermische Stabilität für Luftfahrtstrukturen, Verdichterscheiben und Triebwerksgehäuse.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von 11Cr-3Al (TC11)
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Titan (Ti) | Rest | Korrosionsbeständige Basis mit struktureller Stabilität |
Chrom (Cr) | 10,0–12,0 | Beta-Stabilisator, verbessert Oxidations- und Kriechbeständigkeit |
Aluminium (Al) | 2,5–3,5 | Alpha-Stabilisator, erhöht Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit |
Molybdän (Mo) | 0,8–1,5 | Verbessert Härtbarkeit und Kriechfestigkeit |
Silizium (Si) | ≤0,30 | Verbessert die Oxidationsbeständigkeit |
Eisen (Fe) | ≤0,50 | Restelement |
Sauerstoff (O) | ≤0,15 | Festigkeitssteigernd, muss zur Erhaltung der Duktilität kontrolliert werden |
Kohlenstoff (C) | ≤0,08 | Restelement |
Wasserstoff (H) | ≤0,015 | Kontrolliert zur Vermeidung von Versprödung |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm / Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 4,57 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1620–1670 °C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 6,3 W/m·K bei 100 °C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,67 µΩ·m bei 20 °C | ASTM B193 |
Wärmeausdehnung | 8,5 µm/m·°C | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 560 J/kg·K bei 20 °C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 115 GPa | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (lösungsgeglüht + ausgelagert)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 950–1050 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2 %) | 850–950 MPa | ASTM E8/E8M |
Dehnung | ≥10 % | ASTM E8/E8M |
Härte | 300–340 HB | ASTM E10 |
Kriechbeständigkeit | Ausgezeichnet bis 500 °C | ASTM E139 |
Ermüdungsfestigkeit | Hoch | ASTM E466 |
Wesentliche Merkmale von 11Cr-3Al (TC11)
Hochtemperaturleistung: Behält eine Zugfestigkeit von über 950 MPa und hervorragende Kriechbeständigkeit im Dauerbetrieb bei 450–500 °C.
Oxidations- und thermische Stabilität: Chrom und Aluminium fördern die Bildung einer dichten, schützenden Oxidschicht und begrenzen den Materialabbau in Turbinen- und Abgasumgebungen.
Ausgezeichnete Ermüdungsfestigkeit: Geeignet für rotierende oder vibrierende Bauteile unter zyklischer thermischer und mechanischer Belastung.
Gute Schweißbarkeit und strukturelle Integrität: Ermöglicht zuverlässige Fügeverbindungen und konstante mechanische Eigenschaften nach der Wärmebehandlung.
CNC-Bearbeitungsherausforderungen und Lösungen für TC11-Titan
Bearbeitungsherausforderungen
Wärmeakkumulation: TC11 besitzt eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit, was zu Überhitzung der Schneidkante und verkürzter Werkzeugstandzeit bei kontinuierlicher Bearbeitung führt.
Elastische Rückfederung und Kaltverfestigung: Hoher Elastizitätsmodul und Neigung zur Kaltverfestigung erschweren die Maßhaltigkeit im Schlichtgang und die Spanbildung.
Abrasive Oxidbildung: Die Bildung harter Oberflächenoxide bei Hochgeschwindigkeitsbearbeitung erhöht den Werkzeugverschleiß.
Hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität: Erfordert feine Oberflächen (Ra < 0,8 µm) für Dichtflächen und rotierende Luftfahrtbauteile.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugmaterial | Feinkörniger Hartmetall, beschichtete Wendeschneidplatten | Hohe Verschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen |
Beschichtung | AlTiN oder TiSiN | Reduziert Adhäsion, verbessert Oxidationsbeständigkeit |
Geometrie | Positiver Spanwinkel, 0,05 mm verrundete Schneide | Reduziert Schnittkräfte und Wärmeentwicklung |
Schnittgeschwindigkeit | 20–45 m/min | Verhindert thermische Schädigung und Spanverschweißung |
Vorschub | 0,10–0,20 mm/U | Ausgleich zwischen Werkzeugbelastung und Oberflächenqualität |
Kühlschmierstoff | Innenkühlung mit Emulsion ≥100 bar | Verbessert Spanabfuhr und Temperaturkontrolle |
11Cr-3Al (TC11) Schnittparameter (ISO-3685-konform)
Operation | Geschwindigkeit (m/min) | Vorschub (mm/U) | Schnitttiefe (mm) | Kühlmitteldruck (bar) |
|---|---|---|---|---|
Schruppen | 20–30 | 0,15–0,20 | 2,0–3,0 | 80–100 (Innenkühlung) |
Schlichten | 40–50 | 0,05–0,10 | 0,2–0,5 | 100–150 |
Oberflächenbehandlung für TC11-Titanbauteile
Heißisostatisches Pressen (HIP) verbessert Ermüdungs- und Kriechverhalten durch Beseitigung von Porositäten und Erhöhung der Dichte.
Wärmebehandlung umfasst Lösungsglühen bei 950–970 °C und Auslagern bei 500–540 °C für optimale Kriechfestigkeit.
Superlegierungs-Schweißen ermöglicht strukturelle Baugruppen unter Argonschutz mit nachfolgender Spannungsarmglühung für Luftfahrtanwendungen.
Thermische Schutzschicht (TBC) schützt TC11-Bauteile in oxidierenden und thermisch zyklischen Umgebungen wie Turbinengehäusen.
CNC-Bearbeitung gewährleistet Toleranzen von ±0,01 mm und niedrige Ra-Werte für kritische rotierende Komponenten.
Funkenerodieren (EDM) ermöglicht die präzise Herstellung komplexer Merkmale an gehärteten und dickwandigen Bauteilen.
Tieflochbohren unterstützt L/D-Verhältnisse >30:1 mit Ra ≤1,6 µm in Hochtemperatur-Kühlkomponenten.
Werkstoffprüfung umfasst Kriechprüfungen, Phasenanalysen, REM-Untersuchungen und Ultraschall-ZfP zur Sicherstellung der strukturellen Integrität.
Werkstoffprüfung und Analyse
TC11-Bauteile werden Zug- und Kriechprüfungen bei erhöhten Temperaturen, mikrostrukturellen Analysen mittels REM sowie Ultraschall-Fehlerprüfungen gemäß GB-, AMS- und Luftfahrtnormen unterzogen.
Industrieanwendungen von 11Cr-3Al (TC11)
Luft- und Raumfahrt: Verdichterscheiben, Triebwerksgehäuse und tragende Strukturen unter hohen thermischen Zyklen.
Energieerzeugung: Einsatz in Turbinenschaufeln, Übergangskanälen und Brennkammern mit hoher Temperaturbelastung.
Industrieanlagen: Ideal für rotierende Wellen und hochbelastete mechanische Baugruppen mit thermischer Ermüdung.
Verteidigung: Verwendung in luftfahrttechnischen Antriebssystemen und strukturellen Rahmenkomponenten.
Verwandte Blogs erkunden
