Ti-8Al-1Mo-1V (Grade 20)
Einführung in Ti-8Al-1Mo-1V (Grade 20)
Ti-8Al-1Mo-1V (auch Grade 20) ist eine Near-Alpha-Titanlegierung, die für Anwendungen entwickelt wurde, bei denen eine hohe thermische Stabilität, Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit gefordert sind. Der erhöhte Aluminiumanteil sorgt für höhere Steifigkeit bei geringer Dichte und macht die Legierung besonders attraktiv für Luft- und Raumfahrt, Industrie sowie hochtemperaturbelastete Strukturbauteile.
Grade 20 eignet sich sehr gut für präzise CNC-bearbeitete Titanbauteile, die auch in thermischen und oxidativen Umgebungen form- und maßstabil bleiben müssen. Solche Teile werden typischerweise mit hochgenauen CNC-Bearbeitungsdienstleistungen gefertigt, um die strengen Qualitäts- und Toleranzanforderungen in der Luftfahrt, Turbinentechnik und chemischen Verfahrenstechnik zu erfüllen.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Ti-8Al-1Mo-1V (Grade 20)
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Titan (Ti) | Rest | Grundfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit |
Aluminium (Al) | 7,5–8,5 | Alpha-Stabilisator, erhöht Festigkeit und Steifigkeit |
Molybdän (Mo) | 0,7–1,3 | Beta-Stabilisator, verbessert Kriech- und Oxidationsbeständigkeit |
Vanadium (V) | 0,7–1,3 | Erhöht Festigkeit und thermische Stabilität |
Sauerstoff (O) | ≤0,15 | Festigkeitssteigernd; muss zur Sicherung der Duktilität kontrolliert werden |
Wasserstoff (H) | ≤0,015 | Kontrolliert zur Vermeidung von Versprödung |
Kohlenstoff (C) | ≤0,08 | Restbestandteil, beeinflusst die Härte |
Eisen (Fe) | ≤0,30 | Restbestandteil |
Stickstoff (N) | ≤0,03 | Kontrolliert zur Vermeidung von Versprödung |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm / Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 4,47 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1620–1670°C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 6,5 W/m·K bei 100°C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,66 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 | 120 GPa | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (geglühter Zustand)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 850–950 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2%) | 800–880 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥10% | ASTM E8/E8M |
Härte | 280–320 HB | ASTM E10 |
Kriechbeständigkeit | Ausgezeichnet bis 500°C | ASTM E139 |
Ermüdungsbeständigkeit | Hoch | ASTM E466 |
Haupteigenschaften von Ti-8Al-1Mo-1V (Grade 20)
Festigkeit bei hohen Temperaturen: Behält sehr gute Zugkennwerte und hohe Kriechbeständigkeit bis etwa 500°C – ideal für Luftfahrt- und Turbinenumgebungen.
Ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit: Der hohe Aluminiumanteil unterstützt die Bildung einer stabilen Oxidschicht und reduziert Materialabbau in heißer Luft oder Abgasen.
Geringe Dichte und hohe Steifigkeit: Sehr gutes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, besonders wichtig für gewichtsoptimierte Luftfahrt- und Antriebskomponenten.
Gute Schweißbarkeit und strukturelle Integrität: Unter Inertgasabschirmung schweißbar; geeignete Nachbehandlungen stellen die mechanische Leistungsfähigkeit wieder her.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Grade-20-Titan
Bearbeitungsherausforderungen
Wärmeaufbau: Wie bei den meisten Titanlegierungen ist die Wärmeleitfähigkeit niedrig, wodurch sich Wärme in der Schnittzone konzentriert und Werkzeugverschleiß steigt.
Hohe elastische Rückfederung: Mit einem E-Modul von 120 GPa kann Rückfederung nach der Bearbeitung die Geometrie beeinflussen, besonders bei dünnwandigen Teilen.
Aufschmieren und Verschmieren: Adhäsion an Werkzeugoberflächen kann die Oberflächengüte verschlechtern und häufigere Werkzeugwechsel erforderlich machen.
Empfindliche Standzeit: Der erhöhte Aluminiumanteil kann bei unzureichender Schmierung Kerbverschleiß und Aufbauschneiden begünstigen.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugmaterial | Feinkorn-Hartmetall, TiB2-beschichtete Wendeschneidplatten | Hohe Verschleißbeständigkeit bei Temperaturbelastung |
Beschichtung | AlTiN oder TiSiN | Verbessert Wärme- und Abrasionsbeständigkeit |
Geometrie | Scharfer Spanwinkel, leicht verrundete Schneide | Reduziert Spannung und Schnittkräfte |
Schnittgeschwindigkeit | 20–50 m/min | Verringert Wärmeeintrag und Maßabweichungen |
Vorschub | 0,10–0,25 mm/U | Gute Spanbildung und kontrollierter Spanbruch |
Kühlmittel | Hochdruck-Emulsion ≥100 bar | Sichert Wärmeabfuhr und Spanabtransport |
Ti-8Al-1Mo-1V (Grade 20) 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 | 45–60 | 0,05–0,10 | 0,2–0,5 | 100–150 |
Oberflächenbehandlung für Grade-20-Titanbauteile
Heißisostatisches Pressen (HIP) erhöht die Ermüdungslebensdauer und reduziert innere Porosität – besonders vorteilhaft für Luftfahrtkomponenten.
Wärmebehandlung umfasst Glüh- und Spannungsarmzyklen zur Verbesserung der Maßstabilität und Kriechbeständigkeit.
Superlegierungs-Schweißen erfolgt unter Inertgasabschirmung; eine anschließende Wärmebehandlung kann die mechanischen Eigenschaften wiederherstellen.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC) bietet zusätzlichen Oxidationsschutz und thermische Isolation für Luftfahrt- und Turbinenbauteile.
CNC-Bearbeitung ermöglicht Toleranzen bis ±0,01 mm bei sicherheitskritischen Turbinen- und Luftfahrtteilen.
Funkenerosion (EDM) erlaubt komplexe Geometrien und dünnwandige Bereiche ohne mechanische Verzüge.
Tieflochbohren unterstützt L/D >30:1 bei Ra ≤1,6 µm – geeignet für Kühlkanäle in Luftfahrtteilen.
Werkstoffprüfung umfasst Kriechprüfungen, Mikrostrukturvalidierung und Ultraschall-NDT gemäß AMS- und GB-Anforderungen.
Werkstoffprüfung und Analyse
Grade-20-Bauteile werden u. a. durch Kriechbruchprüfungen, Hochtemperatur-Zugversuche, SEM/XRD-Mikrostrukturanalysen sowie Ultraschall-Fehlerprüfung validiert, um Spezifikationen der Luftfahrt- und Turbinenindustrie zu erfüllen.
Industrieanwendungen von Ti-8Al-1Mo-1V (Grade 20)
Luft- und Raumfahrt: Triebwerkskomponenten, Befestiger und Steuerungsteile unter hoher Temperaturbelastung.
Energieerzeugung: Turbinenkomponenten, Wärmetauscherbauteile und Brennerteile mit zyklischer Thermobelastung.
Industrieausrüstung: Wärmebehandlungsaufnahmen, hochfeste Stützarme und Hitzeschilde.
Verteidigung: Strukturrahmen und Antriebssystemteile, bei denen Oxidationsbeständigkeit entscheidend ist.
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