Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3)
Einführung in Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3)
Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al, allgemein als Ti-15-3 bezeichnet, ist eine metastabile Beta-Titanlegierung, die für Luft- und Raumfahrt sowie leistungsstarke industrielle Anwendungen entwickelt wurde. Sie ist bekannt für ihr hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, ausgezeichnete Kaltumformbarkeit und hervorragende Zähigkeit nach der Wärmebehandlung. Ti-15-3 eignet sich besonders für Rollformen, superplastisches Umformen und kaltes Tiefziehen – zusätzlich zur präzisen CNC-Bearbeitung.
Aufgrund ihrer sehr guten Zerspanbarkeit im lösungsbehandelten Zustand ist Ti-15-3 eine ideale Wahl für die Herstellung leistungsfähiger CNC-gefertigter Titanteile. Diese Bauteile, produziert durch moderne CNC-Bearbeitungsdienstleistungen, finden sich häufig in Luftfahrtstrukturen, Triebwerksaufhängungen und Präzisionskomponenten, die hohe Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit erfordern.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3)
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Titan (Ti) | Rest | Stellt die strukturelle Basis und Korrosionsbeständigkeit bereit |
Vanadium (V) | 14,0–16,0 | Beta-Stabilisator, erhöht Festigkeit und Härtbarkeit |
Chrom (Cr) | 2,5–3,5 | Verbessert Oxidationsbeständigkeit und Kriecheigenschaften |
Zinn (Sn) | 2,5–3,5 | Trägt zu thermischer Stabilität und Festigkeit bei |
Aluminium (Al) | 2,5–3,5 | Verbessert Ermüdungsbeständigkeit und Phasensteuerung |
Sauerstoff (O) | ≤0,13 | Erhöht die Festigkeit; muss zur Erhaltung der Duktilität kontrolliert werden |
Wasserstoff (H) | ≤0,015 | Begrenzt, um Versprödung zu vermeiden |
Kohlenstoff (C) | ≤0,08 | Restelement |
Eisen (Fe) | ≤0,30 | Restelement |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm / Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 4,66 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1590–1650°C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 6,6 W/m·K bei 100°C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,68 µΩ·m bei 20°C | ASTM B193 |
Wärmeausdehnung | 8,6 µm/m·°C | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 550 J/kg·K bei 20°C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 105 GPa | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (lösungsbehandelt + ausgelagert)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 1000–1200 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2%) | 950–1150 MPa | ASTM E8/E8M |
Dehnung | ≥8% | ASTM E8/E8M |
Härte | 330–360 HB | ASTM E10 |
Ermüdungsfestigkeit | Hoch | ASTM E466 |
Kaltumformbarkeit | Ausgezeichnet | ASTM F1162 |
Wesentliche Merkmale von Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3)
Hohe Festigkeit bei geringem Gewicht: Ti-15-3 erreicht Zugfestigkeiten über 1000 MPa bei nahezu halbem Gewicht von Stahl – ideal für tragende Luftfahrtkomponenten.
Ausgezeichnete Kaltverformbarkeit: Im Gegensatz zu den meisten Titanlegierungen lässt sich Ti-15-3 kalt in komplexe Geometrien umformen, ohne zu reißen, wodurch Fertigungsschritte reduziert werden.
Überlegene Ermüdungsbeständigkeit: Behält seine mechanischen Eigenschaften unter zyklischer Belastung bei – besonders vorteilhaft für Flugzeughaut- und Halterungsbauteile.
Gute Wärmebehandelbarkeit: Vollständig wärmebehandelbar zur Feinabstimmung von Festigkeit, Zähigkeit und Ermüdungslebensdauer.
CNC-Bearbeitungsherausforderungen und Lösungen für Ti-15-3-Titan
Bearbeitungsherausforderungen
Werkzeugverschleiß: Obwohl besser zerspanbar als Alpha- oder Alpha-Beta-Legierungen, verursacht Ti-15-3 unter Trockenbearbeitung oder unzureichender Schmierung weiterhin abrasiven Verschleiß an unbeschichteten Werkzeugen.
Geringe Wärmeleitfähigkeit: Wärme konzentriert sich an der Werkzeug-Werkstück-Schnittstelle und führt ohne hohen Kühlmitteldruck zu vorzeitigem Werkzeugabbau.
Elastische Rückfederung: Mit einem Elastizitätsmodul von 105 GPa beeinflusst die Rückfederung nach dem Schnitt die Maßgenauigkeit bei engen Toleranzen.
Kaltverfestigung: Erfordert scharfe Werkzeuge und geeignete Vorschübe, um Verfestigung und Oberflächenrauheit zu minimieren.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugmaterial | Hartmetall (K20/K30-Qualität) | Sorgt für Beständigkeit gegen Verschleiß und Hitze |
Beschichtung | AlTiN oder TiCN | Beständig gegen Oxidation und Kaltverschweißen |
Geometrie | Positiver Spanwinkel, verrundete Schneide | Reduziert Kerbspannungen und Gratbildung |
Schnittgeschwindigkeit | 25–50 m/min | Gleichgewicht zwischen Wärme und Materialabtrag |
Vorschub | 0,10–0,25 mm/U | Unterstützt sauberes Scheren bei minimalen Vibrationen |
Kühlschmierstoff | Innenkühlung mit Emulsion ≥100 bar | Stellt Wärmemanagement und Werkzeugstandzeit sicher |
Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3) 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 | 40–55 | 0,05–0,10 | 0,2–0,5 | 100–150 |
Oberflächenbehandlung für Ti-15-3-Titanbauteile
Heißisostatisches Pressen (HIP) erhöht die Ermüdungsfestigkeit und entfernt innere Hohlräume, wodurch die strukturelle Integrität steigt.
Wärmebehandlung umfasst eine Lösungsglühbehandlung bei ~800°C, gefolgt von Auslagern bei 480–540°C für maximale Festigkeit und Duktilität.
Superlegierungs-Schweißen ermöglicht eine zuverlässige Montage mit nachfolgender Wärmebehandlung der Schweißnähte zur Wiederherstellung der Werkstoffeigenschaften.
Thermische Schutzschicht (TBC) bietet Schutz in hochtemperaturzyklischen Umgebungen, insbesondere in Luftfahrtsystemen.
CNC-Bearbeitung unterstützt Toleranzen von ±0,01 mm für Flugzeughalterungen, Steueranlenkungen und Strukturstege.
Funkenerodieren (EDM) ermöglicht die präzise Herstellung von Mikrofeatures an ausgelagerten oder hart zerspanbaren Komponenten.
Tieflochbohren ermöglicht gerade Bohrungen mit Ra ≤1,6 µm und L/D >30:1 für Luftfahrt- und Werkzeuganwendungen.
Werkstoffprüfung umfasst Gefügevalidierung, Härteprofilierung, Ermüdungsprüfungen und ZfP gemäß AMS-Normen.
Werkstoffprüfung und Analyse
Ti-15-3-Bauteile werden Ermüdungsprüfungen, Phasen-/Gefügebestätigungen (mittels SEM/XRD), Zugprüfungen nach dem Auslagern sowie Ultraschall-ZfP unterzogen, um die Werkstoffleistung für flugfähige und hochbelastete Komponenten nachzuweisen.
Industrieanwendungen von Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3)
Luft- und Raumfahrt: Flugzeugrahmen, Halterungen, Aktuatoren und umgeformte Außenhäute, die von hoher Ermüdungsbeständigkeit und Kaltumformbarkeit profitieren.
Verteidigung: Leichte, hochfeste Strukturbauteile und Komponenten für Raketengehäuse.
Industrieanlagen: Tragende Arme und dynamische Komponenten in fortschrittlicher Automatisierung.
Energieerzeugung: Rotierende Strukturen und Verbindungselemente, die thermischer und schwingungsbedingter Ermüdung ausgesetzt sind.
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