Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr (Beta C)
Einführung in Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr (Beta C)
Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr, allgemein als Beta-C-Titan bezeichnet, ist eine metastabile Beta-Titanlegierung, die für extrem hohe Festigkeit, hervorragende Korrosionsbeständigkeit und sehr gute Kaltumformbarkeit entwickelt wurde. Diese Legierung wird häufig in anspruchsvollen Anwendungen der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie sowie der chemischen Verfahrenstechnik eingesetzt, bei denen ein kritisches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht sowie hohe Ermüdungsbeständigkeit erforderlich sind.
Die Kombination aus hoher Durchhärtbarkeit und hoher Bruchzähigkeit macht Beta C ideal für kundenspezifische CNC-gefräste Titanbauteile, die komplexe Geometrien, Dünnwandkonstruktionen oder präzise Bohrungen erfordern. Aufgrund der guten Wärmebehandlungsreaktion und der anspruchsvollen Zerspanbarkeit sind leistungsstarke CNC-Bearbeitungsdienstleistungen unerlässlich, um enge Toleranzen und gleichbleibende mechanische Eigenschaften der Endkomponenten zu gewährleisten.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr (Beta C)
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Titan (Ti) | Rest | Grundmetall, sorgt für Korrosionsbeständigkeit |
Aluminium (Al) | 2,5–3,5 | Festigkeitsmodifikator der Beta-Phase |
Vanadium (V) | 7,0–9,0 | Beta-Stabilisator und Festigkeitsbeitrag |
Chrom (Cr) | 5,5–6,5 | Verbessert Korrosionsbeständigkeit und Beta-Stabilität |
Molybdän (Mo) | 3,5–4,5 | Erhöht Kriechfestigkeit und Ermüdungsleistung |
Zirkonium (Zr) | 3,5–4,5 | Verbessert Kriechfestigkeit, Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit |
Sauerstoff (O) | ≤0,12 | Festigkeitserhöhendes Element, beeinflusst die Duktilität |
Eisen (Fe) | ≤0,30 | Geringe Verunreinigung |
Wasserstoff (H) | ≤0,015 | Kontrolliert zur Vermeidung von Versprödung |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm / Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 4,82 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1600–1660 °C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 7,0 W/m·K bei 100 °C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,70 µΩ·m bei 20 °C | ASTM B193 |
Wärmeausdehnung | 9,0 µm/m·°C | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 550 J/kg·K bei 20 °C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 110 GPa | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (Lösungsglühen + Auslagern)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 1100–1400 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2 %) | 1000–1300 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥8 % | ASTM E8/E8M |
Härte | 340–400 HB | ASTM E10 |
Kriechfestigkeit | Hoch | ASTM E139 |
Ermüdungsbeständigkeit | Ausgezeichnet | ASTM E466 |
Haupteigenschaften von Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr (Beta C)
Extrem hohe Festigkeit: Nach dem Auslagern erreicht Beta C Zugfestigkeiten von bis zu 1400 MPa und bietet damit Festigkeitswerte vergleichbar mit Hochleistungsstählen – bei nahezu halbem Gewicht.
Sehr gute Kaltumformbarkeit: Im lösungsgeglühten Zustand ist Beta C hervorragend umformbar und eignet sich für Tiefziehen und komplexe Formgebungen vor dem Auslagern.
Hervorragende Korrosionsbeständigkeit: Der Chrom- und Molybdängehalt verbessert die Beständigkeit in aggressiven Medien wie chloridhaltigen, sauren und oxidierenden Umgebungen – ideal für hydraulische Systeme in der Luft- und Raumfahrt und chemische Reaktoren.
Wärmebehandelbar zur präzisen Eigenschaftsanpassung: Das nachträgliche Auslagern (typisch 480–540 °C) ermöglicht eine gezielte Einstellung der mechanischen Eigenschaften entsprechend der Anwendung.
Überlegene Ermüdungs- und Bruchzähigkeit: Hohe Beständigkeit gegen Rissausbreitung unter zyklischer Belastung – ideal für hochzyklische Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und für Struktur- und Verbindungselemente.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Beta-C-Titan
Bearbeitungsherausforderungen
Extrem hohe Festigkeit und Kaltverfestigung: Ausgelagertes Beta C weist eine sehr hohe Härte (>340 HB) auf, was ohne optimierte Strategien die Werkzeugbelastung und Zerspanleistung erheblich erschwert.
Geringe Wärmeleitfähigkeit: Mit nur 7,0 W/m·K konzentriert sich die Wärme an der Werkzeug-Span-Grenze, was zu schnellem Werkzeugverschleiß und Bauteilverzug führen kann.
Abrasivität und Aufbauschneidenbildung: Beta C neigt zur Bildung adhäsiver Späne, während karbidbildende Elemente den Schneidkantenverschleiß erhöhen.
Maßhaltigkeit: Aufgrund hoher Rückfederung und elastischer Rückverformung erfordern dünnwandige Beta-C-Bauteile präzise Spannkonzepte und Bahnkorrekturen.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugmaterial | Hartmetall (K-Sorte), CBN für Schlichtbearbeitung | Hält Schneidkanten bei extrem hochfesten Legierungen stabil |
Beschichtung | AlTiN oder TiAlSiN PVD (≥4 µm) | Reduziert Wärmeaufbau und Haftneigung |
Geometrie | Scharfe Schneide, niedriger Drallwinkel | Minimiert Aufbauschneiden und verbessert Spanfluss |
Schnittgeschwindigkeit | 20–50 m/min (Schruppen), 50–80 m/min (Schlichten) | Kontrolliert Wärmeentwicklung und Werkzeugstandzeit |
Vorschub | 0,08–0,20 mm/U | Gewährleistet ausreichende Spandicke und verhindert Glanzschneiden |
Kühlmittel | Hochdruckemulsion (≥100 bar) | Sorgt für Spanabfuhr und thermische Stabilität |
Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr (Beta C) Schnittparameter (ISO-3685-konform)
Operation | Geschwindigkeit (m/min) | Vorschub (mm/U) | Schnitttiefe (mm) | Kühlmitteldruck (bar) |
|---|---|---|---|---|
Schruppen | 20–30 | 0,15–0,20 | 1,5–2,5 | 80–100 (durch Werkzeug) |
Schlichten | 50–80 | 0,05–0,10 | 0,2–0,5 | 100–150 |
Oberflächenbehandlung für Beta-C-Titanbauteile
Heißisostatisches Pressen (HIP) beseitigt Restporosität und erhöht die Ermüdungslebensdauer, insbesondere bei Bauteilen unter Druck- und Vibrationsbelastung.
Wärmebehandlung ermöglicht das Auslagern bei 500–550 °C über 4–8 Stunden zur Erhöhung der Streckgrenze und gezielten Einstellung der Duktilität.
Superlegierungs-Schweißen mit passendem Beta-Titan-Zusatzwerkstoff gewährleistet die Schweißnahtintegrität bei Erhalt der Phasenbalance und Festigkeit.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC) schützt Beta-C-Bauteile in Triebwerks- und Chemieumgebungen mit Betriebstemperaturen >600 °C.
CNC-Bearbeitung ermöglicht die engen Toleranzen und komplexen Geometrien, die in der Luft- und Raumfahrt oder in Hydrauliksystemen erforderlich sind.
Funkenerosion (EDM) ist entscheidend für die Herstellung feiner Strukturen und hochpräziser Bohrungen in ausgelagerten Beta-C-Bauteilen.
Tieflochbohren gewährleistet eine Geradheit der Bohrung von <0,3 mm/m und eine Innenrauheit Ra ≤ 1,6 µm bei Hochdruck-Hydraulikanwendungen.
Werkstoffprüfung umfasst Gefügeuntersuchungen, Phasenanalyse (XRD), Ultraschallprüfung sowie Zugversuche zur Sicherstellung der vollständigen mechanischen Konformität.
Materialprüfung und Analyse
Beta C wird durch Zugversuche (Raumtemperatur und erhöhte Temperatur), Bruchzähigkeitsprüfungen sowie SEM-/XRD-Analysen verifiziert, um Gefügekonsistenz und Auslagerungsverhalten zu bewerten.
Industrieanwendungen von Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr (Beta C)
Luft- und Raumfahrt: Einsatz in Verbindungselementen, Aktuatoren und Hydraulikleitungssystemen aufgrund des hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses und der hervorragenden Ermüdungsleistung.
Chemische Verfahrenstechnik: Geeignet für Ventile, Druckbehälter und Autoklaven im Umgang mit Chloriden, Säuren und Oxidationsmitteln.
Automobilindustrie: Verwendung in Hochleistungs-Fahrwerks- und Antriebskomponenten, bei denen Steifigkeit und Gewichtsreduzierung entscheidend sind.
Medizintechnik: Ideal für strukturelle Implantate und chirurgische Instrumente mit hoher Ermüdungsfestigkeit und Biokompatibilität.
Energieerzeugung: Einsatz in Verdichterschaufeln, Kraftstoffsystem-Verbindern und druckkritischen rotierenden Bauteilen.
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