Ti-10V-2Fe-3Al (Grade 19)
Einführung in Ti-10V-2Fe-3Al (Grade 19)
Ti-10V-2Fe-3Al (auch Grade 19) ist eine metastabile Beta-Titanlegierung, die für hochfeste Strukturbauteile entwickelt wurde, bei denen eine sehr gute Kaltumformbarkeit und hohe Durchhärtbarkeit (Deep Hardenability) gefordert sind. Sie bietet eine besondere Kombination aus hoher Zugfestigkeit, ausgezeichneter Zähigkeit und moderater Korrosionsbeständigkeit – und ist damit eine starke Option für die Luft- und Raumfahrt, Verteidigung sowie den allgemeinen Maschinen- und Anlagenbau.
Dank ihrer hohen mechanischen Leistungsfähigkeit und der guten Zerspanbarkeit im lösungsgeglühten Zustand eignet sich Ti-10V-2Fe-3Al sehr gut für präzise CNC-bearbeitete Titanbauteile. Diese Bauteile profitieren von engen Toleranzen, feinen Oberflächen und der Flexibilität moderner CNC-Bearbeitungsdienstleistungen – insbesondere für Strukturkomponenten in der Luftfahrt sowie im Automotive-Bereich.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Ti-10V-2Fe-3Al (Grade 19)
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Titan (Ti) | Rest | Korrosionsbeständigkeit und strukturelles Basiselement |
Vanadium (V) | 9,0–11,0 | Beta-Stabilisator, verbessert Festigkeit und Duktilität |
Eisen (Fe) | 1,7–2,3 | Erhöht Durchhärtbarkeit und Zugkennwerte |
Aluminium (Al) | 2,5–3,5 | Verbessert Festigkeit und Stabilität |
Sauerstoff (O) | ≤0,15 | Festigkeitssteigernd, mit leichtem Duktilitätsnachteil |
Wasserstoff (H) | ≤0,015 | Kontrolliert, um Versprödung zu vermeiden |
Stickstoff (N) | ≤0,03 | Restbestandteil |
Kohlenstoff (C) | ≤0,05 | Restbestandteil |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm / Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 4,64 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1580–1620°C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 7,2 W/m·K bei 100°C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,68 µΩ·m bei 20°C | ASTM B193 |
Wärmeausdehnung | 8,7 µm/m·°C | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 560 J/kg·K bei 20°C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 114 GPa | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (Lösungsglühen + Auslagern)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 1100–1250 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2%) | 1030–1180 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥10% | ASTM E8/E8M |
Härte | 330–370 HB | ASTM E10 |
Kriechbeständigkeit | Mittel bis gut | ASTM E139 |
Ermüdungsbeständigkeit | Hoch | ASTM E466 |
Haupteigenschaften von Ti-10V-2Fe-3Al (Grade 19)
Hohe Zug- und Streckgrenze: Nach Wärmebehandlung erreicht die Legierung eine Streckgrenze >1000 MPa – vergleichbar mit einigen Stählen – bei rund 45% geringerer Dichte.
Gute Kaltumformbarkeit: Im lösungsgeglühten Zustand behält Grade 19 eine moderate Duktilität und eignet sich daher für Umformprozesse.
Hohe Durchhärtbarkeit: Gleichmäßige mechanische Eigenschaften auch in dicken Querschnitten machen sie ideal für Schmiedeteile und tragende Bauteile.
Schweißbar mit Nachbehandlung: Im lösungsgeglühten Zustand schweißbar; mit geeignetem Zusatzwerkstoff und anschließender Auslagerung lässt sich die Festigkeit wiederherstellen.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Grade-19-Titan
Bearbeitungsherausforderungen
Moderate Kaltverfestigung: Obwohl leichter zerspanbar als Alpha-Beta-Legierungen, kann Ti-10V-2Fe-3Al bei unzureichender Spanbildung dennoch kaltverfestigen.
Wärmeaufbau und Werkzeugverschleiß: Die geringe Wärmeableitung erfordert hohen Kühldruck und scharfe Schneiden, um Oberflächenüberhitzung oder Werkzeugversagen zu vermeiden.
Rückfederung: Das Elastizitätsmodul (114 GPa) führt zu leichter Rückfederung bei dünnwandigen oder hochpräzisen Bauteilen.
Oberflächenaufschmieren (Galling): Die hochfeste Beta-Phase kann bei Trockenbearbeitung oder schlechter Schmierung zum Schmieren/Anhaften an der Schneide führen.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugmaterial | Feinkorn-Hartmetall oder CBN | Hohe Festigkeit und Verschleißbeständigkeit |
Beschichtung | AlTiN oder TiSiN (≥3 µm PVD) | Zeigt gute Anti-Galling-Wirkung und erhöht die Standzeit |
Geometrie | Scharfer positiver Spanwinkel, leicht verrundete Schneide | Minimiert Kaltverfestigung und Schnittkräfte |
Schnittgeschwindigkeit | 25–55 m/min | Senkt Werkzeugtemperatur und reduziert Verzug |
Vorschub | 0,10–0,25 mm/U | Stabile Spanbildung und gute Spanabfuhr |
Kühlmittel | Emulsion durch Werkzeug, ≥100 bar | Effektive Kühlung und Spanabfuhr |
Ti-10V-2Fe-3Al (Grade 19) 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 (durch Werkzeug) |
Schlichten | 45–60 | 0,05–0,10 | 0,2–0,5 | 100–150 |
Oberflächenbehandlung für Grade-19-Titanbauteile
Heißisostatisches Pressen (HIP) erhöht die Ermüdungslebensdauer und die strukturelle Dichte – ideal für luftfahrtgeeignete Schmiedeteile und Fahrwerksbauteile.
Wärmebehandlung umfasst Lösungsglühen bei 750–800°C und Auslagern bei 500–550°C, um Festigkeit und Duktilität zu optimieren.
Superlegierungs-Schweißen ist im lösungsgeglühten Zustand möglich; durch anschließendes Auslagern nach dem Schweißen wird die mechanische Leistungsfähigkeit wiederhergestellt.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC) wird für Bauteile mit zyklischer thermischer Belastung eingesetzt, um Oberflächen vor Oxidation zu schützen.
CNC-Bearbeitung ermöglicht die Fertigung hochpräziser, flugkritischer oder fahrwerks-/fahrwerksnaher Komponenten bis ±0,01 mm.
Funkenerosion (EDM) eignet sich für komplexe Konturen, Kühlbohrungen oder Mikrogeometrien an ausgehärteten Teilen.
Tieflochbohren ermöglicht L/D >30:1, eine Geradheit <0,3 mm/m sowie eine Oberflächenrauheit Ra ≤1,6 µm.
Werkstoffprüfung stellt Phasenzusammensetzung, Härtegleichmäßigkeit und strukturelle Integrität durch Zug-/Kriechprüfungen und Ultraschall-NDT sicher.
Werkstoffprüfung und Analyse
Die Prüfung von Ti-10V-2Fe-3Al umfasst die Verifizierung der Zugfestigkeit bei erhöhten Temperaturen, die Charakterisierung der Auslagerungsreaktion, die Bestimmung der Bruchzähigkeit sowie die Ultraschall-Fehlerprüfung gemäß Luftfahrt- und Militärstandards.
Industrieanwendungen von Ti-10V-2Fe-3Al (Grade 19)
Luft- und Raumfahrt: Flugzeugbeschläge (Fittings), Hydraulikaktuatoren und Befestigungselemente mit hohen Festigkeitsanforderungen bei geringem Gewicht.
Verteidigung: Bauteile in Raketenkörpern, Luftfahrzeugstrukturen und stoßabsorbierenden Baugruppen.
Energieerzeugung: Strukturbolzen und rotierende Teile in hochbelasteten, schnelllaufenden Turbinenbaugruppen.
Industrieausrüstung: Roboterrahmen, Gelenksysteme und tragende Baugruppen, die geringes Gewicht und hohe Dauerfestigkeit verlangen.
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