Ti-4Al-2V
Einführung in Ti-4Al-2V
Ti-4Al-2V ist eine nahe-Alpha-Titanlegierung, die für leistungsfähige Strukturbauteile entwickelt wurde, bei denen moderate Festigkeit, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und zuverlässige thermische Stabilität erforderlich sind. Der geringere Vanadium- und Aluminiumgehalt im Vergleich zu Ti-6Al-4V macht sie besser schweiß- und umformbar, insbesondere in dickwandigen Querschnitten und drucktragenden Komponenten.
Ti-4Al-2V eignet sich für präzise CNC-gefertigte Titanteile, die enge Toleranzen und langfristig stabile mechanische Eigenschaften erfordern. Mit modernen CNC-Bearbeitungsdienstleistungen werden Ti-4Al-2V-Bauteile häufig in maritimen Anwendungen, der Luft- und Raumfahrt, der Energieerzeugung sowie im Medizinbereich eingesetzt, wo moderate Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit entscheidend sind.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Ti-4Al-2V
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Titan (Ti) | Rest | Basiselement mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit |
Aluminium (Al) | 3,8–4,2 | Alpha-Stabilisator, verbessert Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit |
Vanadium (V) | 1,8–2,2 | Beta-Stabilisator, erhöht Zähigkeit und Härtbarkeit |
Sauerstoff (O) | ≤0,15 | Trägt zur Festigkeit bei; muss zur Erhaltung der Duktilität kontrolliert werden |
Eisen (Fe) | ≤0,30 | Restelement |
Wasserstoff (H) | ≤0,015 | Niedriger Gehalt zur Vermeidung von Versprödung |
Kohlenstoff (C) | ≤0,08 | Restelement |
Stickstoff (N) | ≤0,03 | Restelement |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm / Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 4,46 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1610–1660°C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 6,5 W/m·K bei 100°C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,66 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 (geglühter Zustand)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 780–850 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2%) | 730–800 MPa | ASTM E8/E8M |
Dehnung | ≥14% | ASTM E8/E8M |
Härte | 260–300 HB | ASTM E10 |
Kriechbeständigkeit | Gut bis 400°C | ASTM E139 |
Ermüdungsfestigkeit | Mittel bis hoch | ASTM E466 |
Wesentliche Merkmale von Ti-4Al-2V
Gute Schweißbarkeit und Fertigbarkeit: Bietet eine bessere Schweißbarkeit als höher legierte Qualitäten und reduziert die Rissanfälligkeit beim Fügen und Umformen.
Hohe Korrosionsbeständigkeit: Geeignet für maritime und chemische Umgebungen, da sich eine stabile Oxidschicht bildet.
Moderate Hochtemperaturfestigkeit: Gute Leistung bis 400°C in Strukturbauteilen wie Turbinengehäusen oder Druckgehäusen.
Erhöhte Maßstabilität: Sehr gute Performance in tragenden Teilen mit minimaler Verformung bei thermischen Zyklen.
CNC-Bearbeitungsherausforderungen und Lösungen für Ti-4Al-2V
Bearbeitungsherausforderungen
Kaltverschweißen und Reibung: Die Reaktivität von Titan kann bei unzureichender Schmierung zu Adhäsion an Schneidwerkzeugen führen.
Thermische Empfindlichkeit: Geringe Wärmeleitfähigkeit führt dazu, dass sich Wärme in der Schnittzone konzentriert – mit Auswirkungen auf Werkzeugstandzeit und Oberflächenqualität.
Werkzeugverschleiß: Obwohl geringer legiert als Ti-6Al-4V, kann ohne ausreichende Kühlung und Optimierung weiterhin erheblicher Werkzeugverschleiß auftreten.
Elastische Rückfederung: Der moderate Elastizitätsmodul verursacht Rückfederung in den letzten Zustellungen und erschwert die Toleranzhaltung.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugmaterial | Feinkörniges Hartmetall (K30) | Bietet Verschleißfestigkeit unter thermischer Belastung |
Beschichtung | AlTiN oder TiCN | Reduziert Reibung und schützt die Schneidkanten |
Geometrie | Scharfer Spanwinkel, verrundete Schneide (~0,05 mm) | Minimiert Schnittkräfte und verbessert den Spanfluss |
Schnittgeschwindigkeit | 20–45 m/min | Verhindert übermäßige Wärmeakkumulation |
Vorschub | 0,10–0,20 mm/U | Hilft, Kaltverfestigung zu vermeiden |
Kühlschmierstoff | Hochdruck-Innenkühlung (≥100 bar) | Sichert Wärmeabfuhr und eine saubere Schnittzone |
Ti-4Al-2V 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 Ti-4Al-2V-Titanbauteile
Heißisostatisches Pressen (HIP) beseitigt innere Porosität und erhöht die Ermüdungsbeständigkeit in strukturellen Luftfahrtbauteilen.
Wärmebehandlung verbessert die mechanische Festigkeit und Spannungsrelaxation nach dem Schweißen oder der Kaltumformung, typischerweise bei 700–800°C.
Superlegierungs-Schweißen ermöglicht das Fügen mit hoher Integrität; eine nachfolgende Wärmebehandlung stellt die Duktilität wieder her.
Thermische Schutzschicht (TBC) schützt Komponenten vor thermischen Zyklen in Turbinen- und Industrieumgebungen.
CNC-Bearbeitung ermöglicht die Herstellung hochpräziser, eng tolerierter Merkmale für Anwendungen in Luftfahrt, Marine und Energie.
Funkenerodieren (EDM) gewährleistet Präzision in gehärteten oder dünnwandigen Bereichen, ohne thermische Verzüge zu induzieren.
Tieflochbohren unterstützt die Bearbeitung langer, schmaler Bohrungen mit L/D >30:1 und Oberflächenrauheit Ra ≤1,6 µm.
Werkstoffprüfung umfasst SEM/EDS-Analysen, Kriech- und Ermüdungsprüfungen sowie Ultraschall-Fehlerprüfung gemäß AMS- und GB-Normen.
Werkstoffprüfung und Analyse
Ti-4Al-2V-Bauteile werden durch Zug- und Kriechprüfungen, Phasenverifikation mittels SEM/XRD, Härteprofilierung sowie Ultraschall-ZfP validiert, um Zuverlässigkeit in Luftfahrt- und Energieanwendungen sicherzustellen.
Industrieanwendungen von Ti-4Al-2V
Luft- und Raumfahrt: Einsatz in tragenden Flugzeugstrukturen, Triebwerkshalterungen und Komponenten für moderate Temperaturen.
Marine: Verwendet für hochfeste Beschläge, Schrauben und Ventile, die Salzwasserkorrosion ausgesetzt sind.
Energieerzeugung: Ideal für Turbinengehäuse, Rohrleitungsabstützungen und rotierende Hardware.
Medizintechnik: Biokompatible Komponenten wie Gehäuse, Kupplungen und orthopädische Werkzeuge.
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