Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Grade 4)
Einführung in Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Grade 4)
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, auch als Grade-4-Titan innerhalb der Luftfahrt-Legierungsfamilie bekannt, ist eine nahezu alpha-stabilisierte Titanlegierung, die für ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit, thermische Stabilität und Korrosionsbeständigkeit ausgelegt ist. Diese Legierung wird häufig in Gasturbinen, Flugzeugstrukturen und weiteren Anwendungen eingesetzt, die eine langfristige Leistungsfähigkeit unter erhöhten Temperaturen erfordern.
Ihre zuverlässige mechanische Stabilität und Oxidationsbeständigkeit machen sie zu einem bevorzugten Werkstoff für hochspezifizierte CNC-gefertigte Titanbauteile. Für Anwendungen, die enge Toleranzen und eine sichere Maßhaltigkeit in extremen Umgebungen verlangen, setzen Hersteller auf fortschrittliche CNC-Bearbeitungsdienstleistungen, um Präzisionskomponenten aus Grade-4-Titan herzustellen.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Grade 4)
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Titan (Ti) | Rest | Grundelement mit Korrosions- und Temperaturbeständigkeit |
Aluminium (Al) | 5,5–6,5 | Alpha-Stabilisator für Hochtemperaturfestigkeit |
Zinn (Sn) | 1,8–2,5 | Verbessert die Kriechbeständigkeit |
Zirkonium (Zr) | 3,6–4,5 | Erhöht Oxidationsbeständigkeit und Festigkeit |
Molybdän (Mo) | 1,8–2,5 | Beta-Stabilisator, der die Durchhärtbarkeit erhöht |
Silizium (Si) | ≤0,25 | Verfestigt die Matrix und verbessert die Kriechbeständigkeit |
Sauerstoff (O) | ≤0,15 | Erhöht die Festigkeit, beeinflusst jedoch die Duktilität |
Eisen (Fe) | ≤0,30 | Restbestandteil |
Wasserstoff (H) | ≤0,015 | Kontrolliert, um Versprödung zu vermeiden |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm / Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 4,55 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1600–1660°C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 6,8 W/m·K bei 100°C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,62 µΩ·m bei 20°C | ASTM B193 |
Wärmeausdehnung | 8,5 µm/m·°C | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 570 J/kg·K bei 20°C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 108 GPa | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (geglühter Zustand)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 860–980 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2%) | 790–900 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥10% | ASTM E8/E8M |
Härte | 300–340 HB | ASTM E10 |
Kriechbeständigkeit | Ausgezeichnet | ASTM E139 |
Ermüdungsbeständigkeit | Hoch | ASTM E466 |
Haupteigenschaften von Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Grade 4)
Festigkeit bei erhöhten Temperaturen: Grade 4 behält bis zu 500°C eine hohe Festigkeit und Kriechbeständigkeit und eignet sich damit für Gasturbinen, Flugzeugstrukturen und Hitzeschilde.
Ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit: Die Zugabe von Zr und Sn unterstützt die Bildung einer stabilen Oxidschicht und gewährleistet langfristige Beständigkeit in Hochtemperatur- und sauerstoffreichen Umgebungen.
Beständigkeit gegen thermische Ermüdung: Die ausgewogene Legierungszusammensetzung sorgt für Stabilität bei zyklischem Aufheizen und Abkühlen – entscheidend für Bauteile in der Luft- und Raumfahrt sowie der Energieerzeugung.
Sehr gute Schweißbarkeit und Stabilität: Trotz der nahezu alpha-Struktur ist die Legierung gut schweißbar und hält nach Temperaturzyklen die Phasenbalance – ideal für Hochdruckbaugruppen.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Grade-4-Titan
Bearbeitungsherausforderungen
Hohe Kaltverfestigungsneigung: Grade 4 neigt während des Werkzeugkontakts zur Kaltverfestigung; eine optimierte Spanlast und scharfe Werkzeuge sind erforderlich, um Oberflächenverzug zu vermeiden.
Geringe Wärmeleitfähigkeit: Mit nur 6,8 W/m·K bleibt die Wärme an der Werkzeug-Span-Grenze, was die Werkzeugstandzeit reduziert und das Risiko thermischer Verformungen erhöht.
Werkzeugverschleiß und Aufschmieren: Aggressive Oxidbildung und beta-reiche Zonen beschleunigen den Verschleiß und fördern Spananhaftungen, was die Oberflächengüte beeinträchtigt.
Elastische Rückfederung: Mit einem Elastizitätsmodul von 108 GPa zeigt die Legierung eine messbare Rückfederung, insbesondere bei dünnwandigen Teilen und Schlichtoperationen.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugmaterial | Feinkorn-Hartmetall oder Keramik-Wendeschneidplatten | Hohe Festigkeit und Wärmebeständigkeit |
Beschichtung | AlTiN oder TiSiN (3–5 µm) | Reduziert Aufbauschneiden (BUE) und erhöht die Standzeit |
Geometrie | Scharfe Schneide, großer Spanwinkel | Senkt Schnittkräfte und Wärmeeintrag |
Schnittgeschwindigkeit | 25–60 m/min | Verhindert Überhitzung und Oberflächenverfestigung |
Vorschub | 0,10–0,25 mm/U | Unterstützt Spanbildung und verhindert Glanzschneiden |
Kühlmittel | Emulsionskühlmittel, ≥100 bar | Sorgt für wirksame Kühlung und Spanabfuhr |
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Grade 4) 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 | 45–65 | 0,05–0,10 | 0,2–0,5 | 100–150 |
Oberflächenbehandlung für Grade-4-Titanbauteile
Heißisostatisches Pressen (HIP) verdichtet interne Mikrohohlräume und erhöht die Ermüdungslebensdauer, insbesondere bei flugkritischen Komponenten.
Wärmebehandlung umfasst ein Auslagern bei 600–675°C zur Verbesserung der Kriechbeständigkeit und Maßstabilität von Turbinenbauteilen.
Superlegierungs-Schweißen gewährleistet Vollfestigkeits-Schmelzschweißnähte für Luft- und Raumfahrt- sowie Antriebsbaugruppen durch den Einsatz kompatibler Zusatzdrähte.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC) bietet Oxidationsschutz und Schutz vor thermischer Ermüdung für Komponenten in Triebwerken und Hochtemperatur-Reaktorsystemen.
CNC-Bearbeitung unterstützt Toleranzen von ±0,01 mm und eignet sich ideal für Flughardware, Hochleistungsflansche und Halterungen.
Funkenerosion (EDM) ermöglicht präzise Merkmale wie Düsenbohrungen und tiefe Taschen in wärmebehandelten Teilen.
Tieflochbohren ermöglicht Bohrtiefen mit L/D > 30:1 und eine Oberflächengüte Ra ≤ 1,6 µm in Struktur- und Kühlkomponenten.
Werkstoffprüfung umfasst Zugversuche, Kriechbruchprüfungen, SEM-Gefügeanalysen und Ultraschallprüfung (NDT) gemäß Luftfahrt-QA-Standards.
Materialprüfung und Analyse
Die Werkstoffvalidierung für Grade 4 umfasst Hochtemperatur-Zugprüfungen, Kriechbruchbewertung, Mikrohärte, XRD sowie metallographische Analysen und stellt die Konformität mit Luftfahrt- und Nuklearstandards sicher.
Industrieanwendungen von Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Grade 4)
Luft- und Raumfahrt: Triebwerksgehäuse, Nachbrenner-Komponenten und Düsenhardware für Betrieb über 400°C.
Energieerzeugung: Gasturbinenschaufeln, Abgasleitungen und Hochdruck-Brennkammerbauteile.
Verteidigungssysteme: Strukturverbinder für Luft- und Raumfahrt sowie Auskleidungen von Antriebssystemen mit hoher Temperaturbeständigkeit.
Industrieanlagen: Wärmetauscher und Hochdruckdichtungen in korrosiven Umgebungen mit thermischer Wechselbelastung.
Luftfahrt-Befestigungselemente: Schrauben und Flanschsysteme für Bereiche mit hochzyklischer Ermüdung und erhöhter thermischer Belastung.
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