Ti-7Al
Einführung in Ti-7Al
Ti-7Al, auch bekannt als Titan-7Aluminium, ist eine nahe-Alpha-Titanlegierung, die für hochtemperaturbeständige Strukturbauteile entwickelt wurde, bei denen langfristige Stabilität, ausgezeichnete Kriechbeständigkeit und verbesserte Oxidationsbeständigkeit erforderlich sind. Der hohe Aluminiumgehalt fördert die Phasenstabilität und den Festigkeitserhalt bei erhöhten Temperaturen und macht die Legierung ideal für Umgebungen in Luft- und Raumfahrt, Marine sowie der Energieerzeugung.
Ti-7Al wird typischerweise im geglühten oder lösungsbehandelten Zustand verarbeitet, sodass daraus präzise CNC-gefertigte Titanteile hergestellt werden können. Diese Bauteile werden mit hoher Genauigkeit und Wiederholbarkeit durch moderne CNC-Bearbeitungsdienstleistungen produziert – insbesondere für Verdichterkomponenten von Flugzeugen, Triebwerksteile im Heißbereich und Anwendungen in oxidierenden Umgebungen.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Ti-7Al
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Titan (Ti) | Rest | Basismatrix mit Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit |
Aluminium (Al) | 6,5–7,5 | Alpha-Stabilisator, erhöht die Hochtemperaturfestigkeit |
Sauerstoff (O) | ≤0,15 | Erhöht die Festigkeit der Legierung; muss zur Sicherung der Duktilität kontrolliert werden |
Kohlenstoff (C) | ≤0,08 | Restelement |
Wasserstoff (H) | ≤0,015 | Kontrolliert, um Versprödung zu vermeiden |
Stickstoff (N) | ≤0,03 | Geringer Restgehalt |
Eisen (Fe) | ≤0,25 | Restelement |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm / Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 4,48 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1600–1670°C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 6,4 W/m·K bei 100°C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,65 µΩ·m bei 20°C | ASTM B193 |
Wärmeausdehnung | 8,4 µm/m·°C | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 560 J/kg·K bei 20°C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 116 GPa | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (geglühter Zustand)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 830–900 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2%) | 780–850 MPa | ASTM E8/E8M |
Dehnung | ≥12% | ASTM E8/E8M |
Härte | 270–300 HB | ASTM E10 |
Kriechbeständigkeit | Ausgezeichnet bis 500°C | ASTM E139 |
Ermüdungsfestigkeit | Hoch | ASTM E466 |
Wesentliche Merkmale von Ti-7Al
Hochtemperaturfestigkeit: Bewahrt oberhalb von 450°C eine ausgezeichnete mechanische Integrität und eignet sich für leistungsstarke Luftfahrttriebwerke und Strukturen.
Hervorragende Oxidationsbeständigkeit: Der hohe Al-Gehalt unterstützt die Bildung eines stabilen TiO₂-Al₂O₃-Nanopartikel-Films und bietet dadurch eine hohe Beständigkeit gegen Zunderbildung bei Wärmebeanspruchung.
Ausgezeichnetes Kriechverhalten: Ti-7Al bietet langfristige Maß- und mechanische Stabilität unter Dauerlast bei erhöhten Temperaturen.
Gute Schweißbarkeit: Kann mit geeigneter Inertgasabschirmung geschmolzenschweißtechnisch gefügt werden; eine nachfolgende Wärmebehandlung verbessert die Eigenschaften.
CNC-Bearbeitungsherausforderungen und Lösungen für Ti-7Al
Bearbeitungsherausforderungen
Kaltverfestigung: Die Legierung neigt während der Bearbeitung zur Verfestigung, wodurch aufeinanderfolgende Schnitte ohne geeignete Vorschübe anspruchsvoller werden.
Geringe Wärmeleitfähigkeit: Wärmeakkumulation nahe der Schnittzone erhöht das Risiko thermischer Schädigung und verkürzt die Werkzeugstandzeit.
Elastische Rückfederung: Rückfederung aufgrund des moderaten Elastizitätsmoduls beeinflusst Maßtoleranzen bei Schlichtoperationen.
Oxidoberflächenhärte: Wärmebehandelte oder oxidierte Oberflächen sind abrasiv und können den Werkzeugverschleiß erhöhen.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugmaterial | Feinkörniges Hartmetall oder CBN | Hohe Beständigkeit gegen thermischen und abrasiven Verschleiß |
Beschichtung | AlTiN oder TiCN | Verbessert die Hitzebeständigkeit und reduziert Werkzeugreibung |
Geometrie | Positiver Spanwinkel, verrundete Schneide | Reduziert Schnittkräfte und mindert Spanadhäsion |
Schnittgeschwindigkeit | 20–45 m/min | Kontrolliert thermische Effekte und Oberflächenqualität |
Vorschub | 0,10–0,20 mm/U | Sichert effiziente Spanabfuhr und Oberflächengüte |
Kühlschmierstoff | Hochdruck-Emulsion ≥100 bar | Wesentlich für Wärme- und Spankontrolle |
Ti-7Al 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 (Innenkühlung) |
Schlichten | 40–50 | 0,05–0,10 | 0,2–0,5 | 100–150 |
Oberflächenbehandlung für Ti-7Al-Titanbauteile
Heißisostatisches Pressen (HIP) verbessert die Ermüdungsfestigkeit und verdichtet das Gefüge – entscheidend für Luftfahrt-Turbinenhardware.
Wärmebehandlung umfasst Glüh- oder Auslagerungsbehandlungen bei 700–850°C zur Verbesserung des Kriechverhaltens und der Spannungsrelaxation.
Superlegierungs-Schweißen ermöglicht hochfeste Schweißverbindungen unter Inertgasabschirmung, gefolgt von Wärmebehandlung für konsistente mechanische Eigenschaften.
Thermische Schutzschicht (TBC) erhöht die Temperaturbeständigkeit für Triebwerksgehäuse und oxidierende Umgebungen.
CNC-Bearbeitung gewährleistet die Fertigung enger Toleranzen für Präzisionsanwendungen in Luftfahrt und Verteidigung.
Funkenerodieren (EDM) ermöglicht ultra-präzise Geometrien in schwer zerspanbaren Bereichen.
Tieflochbohren ermöglicht lange Kanalbohrungen mit L/D >30:1 und Oberflächengüte ≤1,6 µm.
Werkstoffprüfung umfasst Kriech- und Zugfestigkeitsvalidierung, Gefügeuntersuchungen sowie Ultraschall-Fehlerprüfung.
Werkstoffprüfung und Analyse
Ti-7Al-Bauteile werden mittels Kriechbruchprüfungen, Zugprüfungen, XRD zur Phasenidentifikation, REM-Bildgebung und Ultraschallprüfungen gemäß luftfahrtspezifischen Qualitätsstandards verifiziert.
Industrieanwendungen von Ti-7Al
Luft- und Raumfahrt: Triebwerksstatoren, Verdichterringe und Heißbereich-Befestigungselemente mit Anforderungen an Oxidations- und Kriechbeständigkeit.
Energieerzeugung: Dampfturbinenschaufeln und Strukturverschraubungen unter dauerhafter thermischer Belastung.
Industrieanlagen: Komponenten für Hochtemperatur-Werkzeuge, thermische Reaktoren und rotierende Wellen.
Verteidigung: Luftfahrt-Defense-Halterungen und Antriebsstrukturen, die wechselnden Hochtemperaturen ausgesetzt sind.
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