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Titanium Alloy TA1

Titanium Alloy TA1 ist ein kommerziell reines Titan, das für seine hervorragende Korrosionsbeständigkeit, sein geringes Gewicht und ein ausgezeichnetes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis bekannt ist. Es wird häufig in der Luft- und Raumfahrt, der maritimen Industrie sowie in medizinischen Anwendungen eingesetzt.

Einführung in die Titanlegierung TA1

Titanlegierung TA1, auch als Titan Grade 1 bekannt, ist ein kommerziell reines Titan mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit und einem hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnis. Sie wird vor allem dort eingesetzt, wo geringes Gewicht, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit entscheidend sind – ideal für Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Marine sowie Medizintechnik.

TA1 wird besonders für seine Fähigkeit geschätzt, rauen Umgebungen standzuhalten, darunter Meerwasser und saure Bedingungen. Seine hervorragende Biokompatibilität und Schweißbarkeit machen es zur bevorzugten Wahl für Präzisionsanwendungen, die häufig spezialisierte CNC-Bearbeitungsdienstleistungen erfordern. Darüber hinaus wird es широко eingesetzt, um hochwertige CNC-gefertigte Titanteile für verschiedene Industrien herzustellen, die Zuverlässigkeit und Leistung verlangen.

Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften der Titanlegierung TA1

Chemische Zusammensetzung (typisch)

Element	Zusammensetzungsbereich (Gew.-%)	Hauptfunktion
Titan (Ti)	Rest (≥99,0)	Bildet die Basismatrix und bietet ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit
Sauerstoff (O)	≤0,18	Erhöht die Festigkeit des Werkstoffs und verbessert die Korrosionsbeständigkeit
Stickstoff (N)	≤0,03	Trägt zu Festigkeit und Kriechbeständigkeit bei
Kohlenstoff (C)	≤0,08	Beeinflusst Festigkeit und Zerspanbarkeit
Eisen (Fe)	≤0,3	Restbestandteil, der die Gesamtfestigkeit beeinflusst
Wasserstoff (H)	≤0,015	Beeinflusst Duktilität und Umformbarkeit

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert (typisch)	Prüfnorm/Bedingung
Dichte	4,51 g/cm³	ASTM B311
Schmelzbereich	1660–1670°C	ASTM E1268
Wärmeleitfähigkeit	21,9 W/m·K bei 100°C	ASTM E1225
Elektrischer Widerstand	0,43 µΩ·m bei 20°C	ASTM B193
Wärmeausdehnung	8,6 µm/m·°C (20–1000°C)	ASTM E228
Spezifische Wärmekapazität	520 J/kg·K bei 20°C	ASTM E1269
Elastizitätsmodul	105 GPa bei 20°C	ASTM E111

Mechanische Eigenschaften (geglühter Zustand)

Eigenschaft	Wert (typisch)	Prüfnorm
Zugfestigkeit	240–380 MPa	ASTM E8/E8M
Streckgrenze (0,2%)	170–275 MPa	ASTM E8/E8M
Bruchdehnung	≥24%	ASTM E8/E8M
Härte	120–170 HB	ASTM E10
Kriechbeständigkeit	Mäßig	ASTM E139
Ermüdungsfestigkeit	Ausgezeichnet	ASTM E466

Hauptmerkmale der Titanlegierung TA1

Korrosionsbeständigkeit: TA1 bietet eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit in oxidierenden, mild reduzierenden und chloridreichen Umgebungen dank seiner stabilen passiven TiO₂-Schicht. Es bleibt in Meerwasser, sauren Medien (z. B. Salzsäure und Salpetersäure) sowie in Industrieatmosphären intakt.
Hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis: Mit einer Dichte von 4,51 g/cm³ und einer Zugfestigkeit von bis zu 380 MPa bietet TA1 eine überlegene Festigkeit pro Gewichtseinheit – ideal für Luft- und Raumfahrt- sowie Automobilanwendungen, die eine Gewichtsreduzierung erfordern.
Biokompatibilität: TA1 ist bioinert und zeigt keine zytotoxischen Effekte. Es ist weithin für medizinische Implantate und Geräte zugelassen und bietet eine ausgezeichnete Osseointegration sowie ein minimales Allergierisiko.
Ausgezeichnete Umformbarkeit und Schweißbarkeit: Aufgrund seines niedrigen Sauerstoff- und Interstitiumgehalts weist TA1 eine hohe Duktilität (Bruchdehnung ≥24%) auf und lässt sich leicht kalt umformen sowie mit Standard-TIG/MIG-Verfahren ohne Nachbehandlung schweißen.

Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung der Titanlegierung TA1

Bearbeitungsherausforderungen

Geringe Wärmeleitfähigkeit: Mit einer Wärmeleitfähigkeit von nur 21,9 W/m·K wird die beim Schneiden entstehende Wärme nicht effizient abgeführt. Dies führt zu hohen Schnitttemperaturen, die den Werkzeugverschleiß beschleunigen und das Risiko einer Oberflächenschädigung erhöhen.
Kaltverfestigung: TA1 verfestigt sich während der Zerspanung schnell, insbesondere bei ungeeigneten Vorschüben oder stumpfen Werkzeugen. Dadurch steigen Schnittkräfte, und die Maßgenauigkeit nimmt im Verlauf ab.
Hohe Adhäsion zwischen Werkzeug und Werkstoff: Titan neigt bei erhöhten Temperaturen zur Anhaftung an Schneidwerkzeugen, was zur Aufbauschneide (BUE) führt, die Oberflächenqualität verschlechtert und die Standzeit verkürzt.
Elastische Rückfederung: Der niedrige Elastizitätsmodul (105 GPa) verursacht Rückfederung während der Bearbeitung, erschwert die Maßkontrolle und erfordert eine präzise Werkzeugbahnkompensation.

Optimierte Bearbeitungsstrategien

Werkzeugauswahl

Parameter	Empfehlung	Begründung
Werkzeugwerkstoff	Feinkörniges Hartmetall oder CBN-Wendeschneidplatten	Bietet Verschleißbeständigkeit bei hohen Temperaturen
Beschichtung	TiAlN- oder AlTiN-Beschichtungen (2–4 µm)	Verbessert die Standzeit durch Verringerung von Reibung und Wärmeentwicklung
Geometrie	Positive Spanwinkel, scharfe Schneiden	Reduziert Schnittkräfte und verbessert die Oberflächengüte
Schnittgeschwindigkeit	50–100 m/min (Schruppen), 100–200 m/min (Schlichten)	Sorgt für optimale Schnittbedingungen und minimalen Werkzeugverschleiß
Vorschub	0,1–0,3 mm/U	Balanciert Materialabtrag und Werkzeugstandzeit
Kühlmittel	Hochdruckkühlmittel (mindestens 70 bar)	Minimiert Wärmestau und reduziert Werkzeugverschleiß

Schnittparameter für Titan TA1 (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	70–100 (Durch Werkzeug)
Schlichten	40–60	0,05–0,10	0,2–0,5	100–150

Oberflächenbehandlung für Titan-TA1-Teile

Heißisostatisches Pressen (HIP) verbessert die Ermüdungsfestigkeit von Titankomponenten, indem interne Porosität beseitigt wird. Das Verfahren nutzt hohe Temperatur und Druck, um die Werkstoffdichte zu erhöhen.

Wärmebehandlung wird häufig eingesetzt, um die Festigkeit und Stabilität von Titanlegierungen zu verbessern, damit sie hochbelasteten Umgebungen standhalten. Die Behandlung umfasst typischerweise Lösungsglühen gefolgt von Auslagern.

Schweißen von Superlegierungen wird zum Fügen von Titanteilen eingesetzt und stellt starke, langlebige Schweißnähte sicher, die die Integrität der Legierung in Hochtemperaturanwendungen erhalten.

Wärmedämmschicht (TBC) schützt Titankomponenten in Hochtemperaturumgebungen und senkt die Substrattemperaturen um bis zu 200°C.

CNC-Bearbeitung ist entscheidend, um die hohe Präzision zu erreichen, die für die Herstellung von Titanteilen erforderlich ist – insbesondere bei komplexen und filigranen Komponenten.

Funkenerodieren (EDM) ermöglicht eine präzise Titanbearbeitung, insbesondere für schwer zugängliche Merkmale wie Kühlbohrungen, und vermeidet dabei thermische Spannungen.

Tieflochbohren erzeugt hochpräzise Bohrungen großer Tiefe, geeignet für Kühlkanäle und andere kritische Merkmale in Titanteilen.

Materialprüfung umfasst Zugversuche, Röntgenbeugung und SEM-Analysen, um sicherzustellen, dass Titanteile die strengen Anforderungen für Hochleistungsanwendungen erfüllen.

Materialprüfung und Analyse

Die Materialprüfung für Titan TA1 umfasst Zugversuche, Mikrohärteprüfungen, Korrosionsprüfungen sowie Röntgendiffraktometrie (XRD) zur Analyse der Oxidschichten. Diese Tests stellen sicher, dass die final bearbeiteten Komponenten die Spezifikationen für Hochleistungsanwendungen in Luft- und Raumfahrt, Marine und Medizintechnik erfüllen.

Industrieanwendungen der Titanlegierung TA1

Luft- und Raumfahrt: Titan TA1 wird für Strukturbauteile, Zellenstrukturen und Fahrwerkskomponenten eingesetzt – dank seines Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses und seiner Korrosionsbeständigkeit.
Marine: Die Beständigkeit gegen Meerwasserkorrosion macht die Legierung ideal für Komponenten wie Propeller, Wellen und Wärmetauscher in maritimen Umgebungen.
Chemische Verfahrenstechnik: Tanks, Rohrleitungen und Ventile, die Korrosionsbeständigkeit gegenüber aggressiven Chemikalien benötigen, profitieren von der hohen Korrosionsbeständigkeit von Titan TA1.
Medizinprodukte: Titan TA1 wird aufgrund seiner Biokompatibilität und Festigkeit häufig für chirurgische Implantate, Gelenkersatz und Prothesen verwendet.