Ti-6Al-4V ELI (Grade 23)
Einführung in Ti-6Al-4V ELI (Grade 23)
Ti-6Al-4V ELI (Grade 23) ist die „Extra-Low Interstitial“- (ELI-) Variante der weit verbreiteten Ti-6Al-4V-Legierung. Durch den besonders niedrigen Gehalt an interstitiellen Elementen bietet sie eine höhere Duktilität, bessere Bruchzähigkeit und eine ausgezeichnete Biokompatibilität. Diese Eigenschaften machen Grade 23 ideal für kritische Medizinimplantate, Luft- und Raumfahrtbefestiger sowie kryogene Komponenten, bei denen höchste Reinheit und Ermüdungsfestigkeit erforderlich sind.
Grade 23 wird am besten über präzise CNC-Bearbeitungsdienstleistungen als Hochleistungs-Titanlegierung gefertigt. Engtolerierte CNC-bearbeitete Titanbauteile aus Ti-6Al-4V ELI kommen häufig in Hochrisiko-Anwendungen wie chirurgischen Implantaten, Triebwerksaufhängungen und Tiefsee-Hardware zum Einsatz, wo Materialintegrität nicht verhandelbar ist.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Ti-6Al-4V ELI (Grade 23)
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Titan (Ti) | Rest | Basiselement mit hoher Korrosionsbeständigkeit |
Aluminium (Al) | 5,5–6,5 | Alpha-Stabilisator, verbessert Festigkeit und thermische Performance |
Vanadium (V) | 3,5–4,5 | Beta-Stabilisator, erhöht Festigkeit und Duktilität |
Sauerstoff (O) | ≤0,13 | Reduzierter Gehalt verbessert Duktilität und Bruchzähigkeit |
Eisen (Fe) | ≤0,25 | Restbestandteil |
Kohlenstoff (C) | ≤0,08 | Kontrolliert zur Sicherung der Schweißbarkeit |
Stickstoff (N) | ≤0,05 | Reduziert zur Minimierung von Versprödung |
Wasserstoff (H) | ≤0,0125 | Extra-niedrig für Biokompatibilität und Korrosionskontrolle |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm / Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 4,43 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1604–1660°C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 6,7 W/m·K bei 100°C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,65 µΩ·m bei 20°C | ASTM B193 |
Wärmeausdehnung | 8,8 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 | 825–900 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2%) | 795–860 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥15% | ASTM E8/E8M |
Härte | 280–320 HB | ASTM E10 |
Bruchzähigkeit | >75 MPa√m | ASTM E399 |
Ermüdungsbeständigkeit | Ausgezeichnet | ASTM E466 |
Haupteigenschaften von Ti-6Al-4V ELI (Grade 23)
Hohe Biokompatibilität: Niedrige O- und H-Gehalte machen Grade 23 geeignet für Implantate mit strengen Anforderungen gemäß ISO 10993 und ASTM F136.
Ausgezeichnete Bruchzähigkeit: Verbesserte Zähigkeit bei kryogenen Temperaturen und dynamischer Belastung sorgt für hohe Zuverlässigkeit in Luftfahrt- und chirurgischen Anwendungen.
Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit: Beständig gegen Chloride, salzhaltige Medien und Körperflüssigkeiten; stabile Oxidschichtbildung.
Schweißbarkeit und Zerspanbarkeit: Gut schweißbar unter Inertgasabschirmung; präzise Bearbeitung bei korrekter Werkzeug- und Kühlstrategie möglich.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Grade-23-Titan
Bearbeitungsherausforderungen
Wärmeentwicklung und geringe Wärmeleitfähigkeit: Wie bei anderen Titanlegierungen sammelt sich Wärme in der Schnittzone, was Werkzeugverschleiß beschleunigt.
Elastische Rückfederung: Mit einem E-Modul von 114 GPa kann Rückfederung beim Schlichten die Maßhaltigkeit in dünnen Bereichen beeinflussen.
Aufschmieren (Galling) und Kerbverschleiß: Bei Trockenbearbeitung oder unzureichender Kühlung kann Material an der Schneide anhaften.
Hohe Anforderungen an die Oberflächengüte: Medizin- und Luftfahrtteile verlangen häufig Ra < 0,4 µm, was optimierte Schnittbedingungen und Nachbearbeitung erfordert.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugmaterial | Feinkorn-Hartmetall oder beschichtetes Hartmetall | Gute Schneidkantenstabilität und Temperaturbeständigkeit |
Beschichtung | AlTiN oder TiCN (≥3 µm) | Reduziert Adhäsion und Werkzeugoxidation |
Geometrie | Scharfe Schneide, positiver Spanwinkel | Verringert Schnittkräfte und Wärmeaufbau |
Schnittgeschwindigkeit | 20–45 m/min | Kontrolliert thermische Belastung |
Vorschub | 0,10–0,20 mm/U | Stabile Spanbildung |
Kühlmittel | Wasserbasierte Emulsion ≥100 bar | Verbessert Kühlung und Oberflächenintegrität |
Ti-6Al-4V ELI (Grade 23) Schnittparameter (ISO 3685)
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 | 40–50 | 0,05–0,10 | 0,2–0,5 | 100–150 |
Oberflächenbehandlung für Grade-23-Titanbauteile
Heißisostatisches Pressen (HIP) verbessert die Ermüdungsbeständigkeit und eliminiert innere Porosität – entscheidend für Biomedical- und Flight-Hardware.
Wärmebehandlung umfasst Spannungsarmglühen und ggf. Auslagern bei ~700°C zur Verbesserung der mechanischen Konsistenz und Maßstabilität.
Superlegierungs-Schweißen ermöglicht hochintegre Schweißnähte für chirurgische Werkzeuge oder Luftfahrtgehäuse unter Inertgasabschirmung.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC) schützt in Turbinen- und Triebwerksaufhängungen bei starker thermischer Zyklierung.
CNC-Bearbeitung unterstützt Toleranzen bis ±0,01 mm für Implantate und Triebwerksbauteile mit hoher Maßpräzision.
Funkenerosion (EDM) erzeugt komplexe Mikrofeatures ohne mechanische Spannungsbelastung.
Tieflochbohren ermöglicht Präzisionsbohrungen mit Ra ≤1,6 µm und L/D > 30:1, z. B. in orthopädischen Implantaten oder Luftfahrtaktuatoren.
Werkstoffprüfung umfasst Zugprüfung, Mikrostruktur-Analysen und Ultraschall-Fehlerprüfung gemäß ASTM F136 und AMS 4930.
Werkstoffprüfung und Analyse
Grade 23 wird streng validiert, u. a. durch Zugprüfungen, Bruchzähigkeitsmessungen, SEM-Inspektion, Korrosionsprüfungen und Ultraschall-Fehlerprüfung, um Luftfahrt- und Medizinzertifizierungen zu erfüllen.
Industrieanwendungen von Ti-6Al-4V ELI (Grade 23)
Medizintechnik: Chirurgische Implantate, Knochenschrauben und Dentalstrukturen mit hoher Ermüdungsfestigkeit und Biokompatibilität.
Luft- und Raumfahrt: Triebwerkskonsolen, Strukturverbinder und kryogene Kraftstoffsysteme.
Energieerzeugung: Korrosionsbeständige Hochdruckkomponenten in Turbinen und Rohrleitungen.
Industrieausrüstung: Komponenten für Reinraumsysteme, chemische Reaktoren und marine Umgebungen.
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