Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti5553)
Einführung in Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti5553)
Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr, weithin bekannt als Ti5553, ist eine hochfeste Near-Beta-Titanlegierung, die für Luft- und Raumfahrt-, Verteidigungs- und Strukturapplikationen entwickelt wurde, bei denen eine außergewöhnliche mechanische Leistungsfähigkeit erforderlich ist. Sie ist bekannt für ihr hervorragendes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, ihre hohe Ermüdungsfestigkeit und ihre ausgeprägte Durchhärtbarkeit – ideal für Bauteile unter extremen Belastungsbedingungen.
Aufgrund ihrer Härte und metallurgischen Komplexität wird Ti5553 am besten mit fortschrittlichen CNC-Bearbeitungsdienstleistungen verarbeitet. Hochpräzise CNC-bearbeitete Titanbauteile aus Ti5553 müssen enge Maßtoleranzen und strenge Anforderungen an die Oberflächengüte erfüllen – insbesondere für den Einsatz in Flugzeug-Strukturelementen, Fahrwerken und militärischen Systemen.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti5553)
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Titan (Ti) | Rest | Bietet Korrosionsbeständigkeit und Grundfestigkeit |
Aluminium (Al) | 4,5–5,5 | Alpha-Stabilisator, erhöht die Hochtemperaturfestigkeit |
Vanadium (V) | 4,5–5,5 | Beta-Stabilisator, verbessert Ermüdungsfestigkeit und Zähigkeit |
Molybdän (Mo) | 4,5–5,5 | Erhöht Kriechbeständigkeit und Durchhärtbarkeit |
Chrom (Cr) | 2,5–3,5 | Trägt zu Phasenstabilität und Korrosionsbeständigkeit bei |
Zirkonium (Zr) | ≤0,3 | Erhöht Kriech- und Ermüdungsbeständigkeit |
Sauerstoff (O) | ≤0,15 | Verfestigt die Legierung, beeinflusst die Duktilität |
Eisen (Fe) | ≤0,25 | Restbestandteil |
Wasserstoff (H) | ≤0,015 | Kontrolliert, um Versprödung zu verhindern |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm / Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 4,78 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1600–1650°C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 6,8 W/m·K bei 100°C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,70 µΩ·m bei 20°C | ASTM B193 |
Wärmeausdehnung | 8,6 µm/m·°C | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 560 J/kg·K bei 20°C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 115 GPa | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (Lösungsglühen + Auslagern)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 1100–1350 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2%) | 1030–1250 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥8% | ASTM E8/E8M |
Härte | 340–390 HB | ASTM E10 |
Kriechbeständigkeit | Ausgezeichnet | ASTM E139 |
Ermüdungsbeständigkeit | Hoch | ASTM E466 |
Haupteigenschaften von Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti5553)
Ultrahohe Festigkeit: Mit Streckgrenzen über 1200 MPa erreicht Ti5553 eine stahlähnliche Leistung bei nahezu halber Dichte.
Dominanz der Beta-Phase: Die Near-Beta-Mikrostruktur bietet eine ausgezeichnete Durchhärtbarkeit und gute thermische Prozessierbarkeit – ideal für Schmiedeteile oder dickwandige Querschnitte.
Überlegene Bruchzähigkeit: Sehr gute Leistung in Hochzyklus-Ermüdungsumgebungen, entscheidend für Luftfahrtbefestiger und strukturelle Verbindungselemente.
Thermische Stabilität und Schweißbarkeit: Obwohl das Schweißen aufgrund des Beta-Anteils anspruchsvoll ist, kann es mit geeignetem Zusatzwerkstoff und Wärmebehandlung nach dem Schweißen zuverlässig umgesetzt werden.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Ti5553
Bearbeitungsherausforderungen
Hohe Festigkeit und Kaltverfestigung: Ti5553 verfestigt sich bei der Zerspanung schnell, was zu höheren Schnittkräften und Oberflächenverzug führt, wenn nicht mit optimierten Werkzeugen gearbeitet wird.
Geringe Wärmeleitfähigkeit: Es entsteht Wärme an der Werkzeug-Werkstück-Grenzfläche, was den Werkzeugverschleiß beschleunigt und Maßdrift begünstigt.
Werkzeuganhaftung und Kerbverschleiß: Die Beta-Phase begünstigt Aufschmieren (Galling) und Kerbverschleiß, insbesondere an Schneidkanten beim Drehen und Bohren.
Enge Toleranzkontrolle: Rückfederung und elastische Rückverformung (E-Modul ~115 GPa) erfordern Kompensation in den finalen Schlichtstufen.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugmaterial | Feinkorn-Hartmetall oder CBN | Sichert Standzeit bei hoher Schnittbelastung |
Beschichtung | AlTiN oder TiSiN (≥4 µm) | Bietet thermischen und abrasiven Schutz |
Geometrie | Positiver Spanwinkel, verrundete Schneidkante | Minimiert Schnittdruck und Schneidkantenverschleiß |
Schnittgeschwindigkeit | 20–50 m/min | Reduziert thermische Aufheizung |
Vorschub | 0,10–0,25 mm/U | Sichert saubere Spanbildung |
Kühlmittel | Hochdruckemulsion ≥100 bar | Verhindert Werkzeugüberhitzung und Spananbacken |
Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti5553) 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 Ti5553-Titanbauteile
Heißisostatisches Pressen (HIP) erhöht Ermüdungsbeständigkeit und strukturelle Integrität – ideal für Fahrwerke und Gestänge-/Linkage-Systeme.
Wärmebehandlung umfasst Lösungsglühen bei ca. 830–870°C und Auslagern bei 480–600°C zur Festigkeitsoptimierung.
Superlegierungs-Schweißen erfordert einen beta-kompatiblen Zusatzwerkstoff und Spannungsarmglühen nach dem Schweißen, um Alpha-Case oder Sprödigkeit zu vermeiden.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC) schützt Bauteile in Hochtemperatur-Schub- und Antriebsumgebungen.
CNC-Bearbeitung stellt ±0,01 mm Toleranzen bei Teilen wie Control Arms und hochbelasteten Strukturhalterungen sicher.
Funkenerosion (EDM) eignet sich für komplexe Innenkonturen und feine Merkmale.
Tieflochbohren liefert eine Geradheit <0,3 mm/m bei Ra ≤1,6 µm in dicken oder strukturellen Luftfahrt-Baugruppen.
Werkstoffprüfung umfasst SEM, Härte-Mapping, Kriechanalysen und Ultraschallprüfung, um die Anforderungen der Luftfahrt zu erfüllen.
Materialprüfung und Analyse
Ti5553 wird mittels Hochtemperatur-Zugversuchen, Validierung der Gefügephasen, Kriechbeständigkeitsprüfungen und Ultraschall-NDT bewertet – gemäß AMS- und ASTM-Normen.
Industrieanwendungen von Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti5553)
Luft- und Raumfahrt: Einsatz in Spanten (Bulkheads), Fahrwerksbalken und Strukturbauteilen, die ultrahohe Festigkeit erfordern.
Verteidigung: Anwendung in Panzerrahmen, Raketenteilen und blast-resistenten Strukturen.
Energieerzeugung: Ideal für Verdichtergehäuse und Turbinenbauteile, die zyklischen Lasten ausgesetzt sind.
Industrieausrüstung: Hochbelastete mechanische Kupplungen sowie tragende Baugruppen in Automation und Robotik.
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