Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr (TA15)
Einführung in Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr (TA15)
Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr, allgemein bekannt als TA15, ist eine hochfeste Alpha+Beta-Titanlegierung, die in der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigungsindustrie sowie im Kraftwerks- und Energietechnikbereich широко eingesetzt wird. Sie bietet eine ausgezeichnete Schweißbarkeit, hohe Ermüdungsfestigkeit und gute Kriechbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen und ist damit ideal für Strukturbauteile, die unter anspruchsvollen Bedingungen betrieben werden.
TA15 weist ein überlegenes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und eine hohe Stabilität unter thermischer Belastung auf. Diese Eigenschaften machen es besonders geeignet für kritische CNC-bearbeitete Titanbauteile, insbesondere wenn sie mit hochpräzisen CNC-Bearbeitungsdienstleistungen gefertigt werden, die enge Toleranzen und gleichbleibende Qualität für Luftfahrtstrukturen, Triebwerksaufhängungen und Tragrahmen gewährleisten.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr (TA15)
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Titan (Ti) | Rest | Basiselement, sorgt für Korrosionsbeständigkeit und strukturelle Festigkeit |
Aluminium (Al) | 6,0–7,0 | Alpha-Stabilisator, verbessert die Hochtemperaturfestigkeit |
Molybdän (Mo) | 0,8–1,2 | Beta-Stabilisator, erhöht Kriech- und Ermüdungsbeständigkeit |
Vanadium (V) | 0,8–1,2 | Erhöht Festigkeit und Phasenstabilität |
Zirkonium (Zr) | 1,8–2,2 | Fördert Kriechbeständigkeit und thermische Stabilität |
Sauerstoff (O) | ≤0,15 | Erhöht die Festigkeit, beeinflusst jedoch die Duktilität |
Eisen (Fe) | ≤0,30 | Restbestandteil |
Wasserstoff (H) | ≤0,015 | Niedrig zu halten, um Versprödung zu verhindern |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm / Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 4,52 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1600–1650°C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 7,0 W/m·K bei 100°C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,65 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 | 1000–1150 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2%) | 900–1050 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥8% | ASTM E8/E8M |
Härte | 330–370 HB | ASTM E10 |
Kriechbeständigkeit | Ausgezeichnet | ASTM E139 |
Ermüdungsbeständigkeit | Hoch | ASTM E466 |
Haupteigenschaften von Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr (TA15)
Hohe Strukturfestigkeit: Mit einer Zugfestigkeit >1000 MPa und einer für Luftfahrtbauteile geeigneten Ermüdungsfestigkeit ist TA15 ideal für stark belastete Flugzeugstrukturen.
Thermische und Oxidationsbeständigkeit: Die Legierung erhält ihre strukturelle Integrität bis 500°C und widersteht Verformung sowie Oxidation bei langandauerndem Einsatz.
Gute Schweißbarkeit: TA15 kann mit konventionellen Verfahren geschweißt werden; bei anschließender geeigneter Wärmebehandlung nach dem Schweißen bleiben die mechanischen Eigenschaften weitgehend erhalten.
Ausgezeichnete Ermüdungslebensdauer: Die Near-Alpha-Mikrostruktur unterstützt eine lange Einsatzdauer in dynamischen Anwendungen wie Hubschrauberrotoren und Triebwerksaufhängungen.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von TA15-Titan
Bearbeitungsherausforderungen
Geringe Wärmeleitfähigkeit: Wie bei anderen Titanlegierungen staut sich bei TA15 Wärme an der Werkzeug–Span-Grenzfläche, was den Werkzeugverschleiß erhöht und thermische Verzüge begünstigt.
Kaltverfestigung und elastische Rückverformung: Die Legierung verfestigt sich während der Bearbeitung schnell und zeigt aufgrund des Elastizitätsmoduls von 115 GPa eine deutliche Rückfederung, was die Präzision beim Schlichten beeinflusst.
Werkzeuganhaftung: Bei unzureichender Kühlung oder ungünstiger Werkzeuggeometrie neigt TA15 zum Anhaften an Schneidwerkzeugen, was Aufschmieren und Oberflächenschäden verursacht.
Kerbverschleiß und Spankontrolle: Kontinuierliche Spanbildung und Kerbverschleiß erfordern eine optimierte Schneidengeometrie sowie eine passende Kühlmittelstrategie.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugmaterial | Feinkorn-Hartmetall oder PVD-beschichtete Wendeschneidplatten | Verschleißbeständigkeit und Temperaturstabilität |
Beschichtung | AlTiN oder TiSiN (≥4 µm) | Verhindert Aufschmieren und erhöht die Werkzeugstandzeit |
Geometrie | Positiver Spanwinkel, verrundete Schneidkante | Reduziert Wärmeentwicklung und Schnittkraft |
Schnittgeschwindigkeit | 20–50 m/min | Kontrolliert die thermische Belastung |
Vorschub | 0,10–0,25 mm/U | Hält die Spandicke aufrecht |
Kühlmittel | Emulsionskühlmittel, ≥100 bar | Verbessert Kühlung und Spanabfuhr |
Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr (TA15) 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 TA15-Titanbauteile
Heißisostatisches Pressen (HIP) verbessert die strukturelle Integrität und Ermüdungsbeständigkeit – insbesondere bei Struktur- oder Turbinenbauteilen.
Wärmebehandlung umfasst typischerweise ein Auslagern zwischen 500–600°C, um Phasenverteilung und Kriechbeständigkeit zu optimieren.
Superlegierungs-Schweißen ist mit beta-kompatiblem Zusatzwerkstoff und Spannungsarmglühen nach dem Schweißen wirksam, um die Bildung einer Alpha-Case zu vermeiden.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC) schützt TA15-Teile, die Hitze- oder oxidativen Umgebungen ausgesetzt sind, insbesondere in Abgassystemen.
CNC-Bearbeitung unterstützt die Fertigung von Strukturkomponenten mit Toleranzen bis ±0,01 mm.
Funkenerosion (EDM) ermöglicht die Herstellung von Mikrostrukturen an ausgehärtetem TA15 ohne thermischen Verzug.
Tieflochbohren ist ideal für Präzisionsbohrungen und Kühlkanäle und erreicht Ra ≤ 1,6 µm sowie L/D > 30:1.
Werkstoffprüfung umfasst mechanische Prüfungen, Metallografie, Kriechprüfungen sowie zerstörungsfreie Prüfungen (NDT) zur Qualitätssicherung in Luftfahrt und Verteidigung.
Werkstoffprüfung und Analyse
TA15-Bauteile werden durch Zug- und Kriechprüfungen, Ermüdungsanalysen, Gefüge-/Phasenbewertung (SEM/XRD) sowie Ultraschall- oder Wirbelstrom-NDT gemäß AMS- oder GB-Normen validiert.
Industrieanwendungen von Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr (TA15)
Luft- und Raumfahrt: Ideal für Strukturbauteile am Rumpf, Triebwerkspylone und Träger, die eine hohe Ermüdungsbeständigkeit erfordern.
Verteidigung: Einsatz in Raketenteilen, Rotorsystemen und gepanzerten Luftfahrtsystemen.
Energieerzeugung: Anwendung in Turbinenscheiben, Kanal-/Ducting-Systemen und drucktragenden Gehäusen unter thermischer Belastung.
Industrieausrüstung: Für dynamische Anlagenkomponenten, die zyklischen Spannungen und Oxidation ausgesetzt sind, z. B. Gehäuse von Wärmetauschern.
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