Ti-6Al-4V (TC4)
Einführung in Ti-6Al-4V (TC4)
Ti-6Al-4V, auch als TC4 oder Titan Grade 5 bekannt, ist eine Alpha-Beta-Titanlegierung mit 6% Aluminium und 4% Vanadium. Sie ist die am häufigsten verwendete Titanlegierung, da sie eine überlegene Kombination aus Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und thermischer Stabilität bietet. Aufgrund ihres hervorragenden Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses wird TC4 in der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigung, im Motorsport sowie in der Medizintechnik широко eingesetzt.
Die Hochleistungseigenschaften machen TC4 zum bevorzugten Werkstoff für kritische Bauteile, die mittels CNC-Bearbeitungsdienstleistungen gefertigt werden. Dank der ausgewogenen mechanischen und thermischen Eigenschaften liefern CNC-gefertigte Titanteile aus TC4 eine konstante, zuverlässige Leistung unter extremen Einsatzbedingungen.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Ti-6Al-4V (TC4)
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Titan (Ti) | Rest (~90) | Grundmatrix mit Korrosionsbeständigkeit |
Aluminium (Al) | 5,5–6,75 | Alpha-Stabilisator, erhöht die Festigkeit |
Vanadium (V) | 3,5–4,5 | Beta-Stabilisator, verbessert Zähigkeit und Härtbarkeit |
Eisen (Fe) | ≤0,40 | Restbestandteil, beeinflusst Festigkeit |
Sauerstoff (O) | ≤0,20 | Erhöht Festigkeit, beeinflusst Duktilität |
Kohlenstoff (C) | ≤0,08 | Kornverfeinerung, verbessert Verschleißbeständigkeit |
Stickstoff (N) | ≤0,05 | Restbestandteil, erhöht Härte |
Wasserstoff (H) | ≤0,015 | Muss kontrolliert werden, um Versprödung zu vermeiden |
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 | 1,71 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 | 113,8 GPa | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (geglühter Zustand)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 895–960 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2%) | 830–900 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥10% | ASTM E8/E8M |
Härte | 330–360 HB | ASTM E10 |
Kriechbeständigkeit | Hoch | ASTM E139 |
Ermüdungsfestigkeit | Ausgezeichnet | ASTM E466 |
Hauptmerkmale von Ti-6Al-4V (TC4)
Hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis: TC4 erreicht bis zu 960 MPa Zugfestigkeit bei einer Dichte von nur 4,43 g/cm³ und ist damit ideal für Luftfahrtstrukturen, Verbindungselemente und Performance-Bauteile.
Hervorragende Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit: Eine passive Titanoxidschicht sorgt für Beständigkeit in chloridhaltigen, maritimen und mild sauren Umgebungen, mit stabiler Leistung bis etwa 400°C in Luft.
Thermische Stabilität und Kriechbeständigkeit: TC4 behält seine mechanische Integrität bei erhöhten Temperaturen (bis ca. 400°C im Dauerbetrieb) und eignet sich für Komponenten in Strahltriebwerken und Abgassystemen.
Schweißbarkeit und Biokompatibilität: Die Legierung unterstützt WIG/MIG-Schweißen und ist ungiftig, wodurch sie sowohl für strukturelle Luftfahrtbaugruppen als auch für langzeitimplantierbare Medizinprodukte geeignet ist.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Ti-6Al-4V (TC4)
Bearbeitungsherausforderungen
Extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit: Mit nur 6,7 W/m·K staut sich Wärme an der Schneide, was schnellen Werkzeugverschleiß und Maßinstabilität begünstigt.
Starke Kaltverfestigung: Bei zu geringer Spanungsdicke bildet TC4 rasch eine verfestigte Randschicht entlang der Werkzeugbahn; kontinuierlicher Eingriff und konstante Spanungsdicke sind erforderlich.
Hoher Werkzeugverschleiß: Abrasive Phasen und Oxidbildung führen zu Schneidkanten-Ausbrüchen und Kater-Verschleiß, besonders bei Trockenbearbeitung oder unzureichender Kühlung.
Rückfederung durch Elastizitätsmodul: Mit einem E-Modul von 113,8 GPa erschweren Durchbiegung und elastische Rückstellung enge Toleranzen, insbesondere bei dünnwandigen Geometrien.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugwerkstoff | Beschichtetes Hartmetall oder Keramik-Wendeschneidplatten | Beständig gegen hohe Temperaturen und abrasiven Verschleiß |
Beschichtung | AlTiN oder TiSiN (PVD, 3–5 µm) | Erhöht Wärmebeständigkeit und reduziert Aufbauschneiden |
Geometrie | Scharfe Schneide, positiver Spanwinkel | Reduziert Schnittkräfte und Wärmeeintrag |
Schnittgeschwindigkeit | 30–70 m/min (Schruppen), 50–100 m/min (Schlichten) | Reduziert Kaltverfestigung und erhält die Standzeit |
Vorschub | 0,05–0,25 mm/U | Hält Spanungsdicke stabil und verhindert „Glazing“ |
Kühlmittel | Emulsionskühlmittel bei 100–150 bar | Sorgt für effektive Spanabfuhr und thermische Kontrolle |
Schnittparameter für Ti-6Al-4V (TC4) (ISO 3685-konform)
Operation | Geschwindigkeit (m/min) | Vorschub (mm/U) | Schnitttiefe (mm) | Kühlmitteldruck (bar) |
|---|---|---|---|---|
Schruppen | 20–30 | 0,15–0,25 | 2,0–3,0 | 70–100 (Durch Werkzeug) |
Schlichten | 50–80 | 0,05–0,10 | 0,2–0,5 | 100–150 |
Oberflächenbehandlung für Ti-6Al-4V (TC4)-Teile
Heißisostatisches Pressen (HIP) verbessert die Ermüdungslebensdauer durch Beseitigung innerer Porosität – entscheidend für Druckbehälter und Luftfahrtgehäuse.
Wärmebehandlung ermöglicht Altern und Glühen bei 700–850°C zur Optimierung von Zugfestigkeit und Spannungsabbau in hochbelasteten Teilen.
Schweißen von Superlegierungen liefert fehlerfreie Verbindungen für TC4-Luftfahrtbaugruppen; Zusatzwerkstoff (Ti-6Al-4V) entspricht der Grundwerkstoffzusammensetzung.
Wärmedämmschicht (TBC) mit YSZ-Keramiklagen erhöht den Oxidationsschutz bei Motor- oder Abgasteilen, die oberhalb von 600°C betrieben werden.
CNC-Bearbeitung stellt Präzisionsgeometrien mit Maßtoleranzen <±0,01 mm für TC4-Luftfahrt- und Medizinbauteile sicher.
Funkenerodieren (EDM) eignet sich für TC4-Mikrobohrungen und Schlitze, bei denen mechanische Werkzeuge thermische Risse begünstigen können.
Tieflochbohren ermöglicht Kanäle mit hohem L/D-Verhältnis für Einspritzkomponenten und Innenrauheiten bis Ra ≤ 1,6 µm.
Materialprüfung – einschließlich Ermüdung, Härte, SEM-Gefügeanalyse und Ultraschallfehlerprüfung – verifiziert die strukturelle Integrität kritischer TC4-Teile.
Materialprüfung und Analyse
Prüfungen für Ti-6Al-4V umfassen Härteprüfung, Ermüdungslebensdaueranalyse, Zugkennwerte bei Raum- und erhöhten Temperaturen sowie zerstörungsfreie Prüfungen gemäß ASTM- und ISO-Luftfahrtnormen.
Industrieanwendungen von Ti-6Al-4V (TC4)
Luft- und Raumfahrt: Triebwerkskomponenten, Fahrwerke, Strukturrahmen und Verbindungselemente aufgrund des hervorragenden Leistungs-Gewichts-Verhältnisses.
Verteidigung: Panzerplatten, Raketengehäuse und UAV-Strukturen, die leichte Robustheit bei Stoßbeanspruchung erfordern.
Medizin: Orthopädische Implantate, Wirbelsäulen-Systeme und Dentalprothetik aufgrund von Biokompatibilität und Osseointegration.
Motorsport: Ventiltrieb-Komponenten, Fahrwerks-/Aufhängungsteile und Abgassysteme, die thermische Ermüdungsfestigkeit und geringes Gewicht benötigen.
Energie: Gasturbinenkomponenten, Wärmetauscherrohre und Chemieanlagenbauteile profitieren von Korrosions- und Kriechbeständigkeit.
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