Eigenschaften und Standards der Titanlegierung TC4 (Ti-6Al-4V).

Was TC4 ist und welche Spezifikation es abdeckt

TC4 ist die inländische Bezeichnung für die Alpha-Beta-Titanlegierung Ti-6Al-4V, die weltweit am häufigsten verwendete Titanlegierung. Das gleiche Material erscheint als Güteklasse 5 in ASTM B348 für Stangen und Knüppel und in ASTM B265 für Bleche, Bänder und Platten, als UNS R56400 und in den EN- und ISO-Systemen unter entsprechenden Güteklassennummern. Bei der Beschaffung in der Luft- und Raumfahrtindustrie werden in der Regel die Spezifikationen AMS 4911 Sheet und AMS 4928 Bar herangezogen, die strengere Grenzwerte für Zwischenrauminhalte und Inspektionen vorsehen.

Die Legierung wurde für eine Kombination aus hoher spezifischer Festigkeit, gutem Ermüdungsverhalten und nützlicher Korrosionsbeständigkeit entwickelt. Er reagiert auf Wärmebehandlung, da die Beta-Phase erhalten bleiben oder umgewandelt werden kann, aber die Verstärkungsreaktion ist im Vergleich zu vergütetem Stahl mäßig: Lösungsbehandlung und Alterung erhöhen die Festigkeit typischerweise nur um 10 bis 20 % gegenüber dem geglühten Zustand.

Chemische Zusammensetzung von TC4 (Ti-6Al-4V, Güteklasse 5)

Die nachstehenden Grenzwerte entsprechen den Anforderungen der Klasse 5 von ASTM B348 und ASTM B265. Aluminium stabilisiert die Alpha-Phase und erhöht die Festigkeit sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhter Temperatur; Vanadium stabilisiert Beta und sorgt für die Reaktion auf die Hitzebehandlung; Eisen ist ein verbleibender Beta-Stabilisator, der begrenzt werden muss, da er die Zähigkeit beeinträchtigt.

Die ELI-Version der gleichen Legierung, Güteklasse 23, reduziert den Sauerstoffgehalt auf 0,13 % und den Stickstoffgehalt auf 0,03 %. Sauerstoff ist die einflussreichste Variable in der Standardqualität. Daher beschreiben ein Zertifikat mit einem Sauerstoffgehalt von 0,13 % und ein Zertifikat mit einem Sauerstoffgehalt von 0,19 % ein Material mit deutlich unterschiedlicher Duktilität.

Mechanische und physikalische Eigenschaften im geglühten Zustand

Der Modul von etwa 114 GPa ist ungefähr halb so hoch wie der von Stahl, weshalb TC4-Teile beim Formen eine ausgeprägte Rückfederung zeigen und steifigkeitsgesteuerte Konstruktionen letztendlich im Querschnitt schwerer sind als erwartet. Die kontinuierliche Betriebstemperatur wird im Allgemeinen auf etwa 400 Grad gehalten, oberhalb dieser Temperatur beschleunigen sich Oxidation und Kriechen; Kurze, etwas höhere Abweichungen sind bei nicht-strukturellen Anwendungen tolerierbar.

Wärmebehandlung und Lieferbedingungen

Vier Wärmebehandlungswege decken den größten Teil des kommerziellen Angebots ab und erzeugen jeweils ein anderes Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Duktilität. Die unten aufgeführten Temperaturen sind typische Werks- und Werkstattpraktiken im Einklang mit dem AMS 2801-Wärmebehandlungsrahmen für Titanteile.

Walzenglühen bei 700 - 790 Grad für ein bis drei Stunden, luftgekühlt: der normale kommerzielle Lieferzustand, der die oben aufgeführten Mindesteigenschaften ergibt.

Rekristallisationsglühen bei 925 - 955 Grad, gefolgt von Luftkühlung: wird verwendet, wenn eine vollständig gleichachsige Struktur und maximale Duktilität erforderlich sind.

Lösungsbehandlung bei 900 - 970 Grad mit Wasserabschreckung und anschließende Alterung bei 480 - 595 Grad für vier bis acht Stunden: Erhöht die Festigkeit auf etwa 1000 - 1100 MPa auf Kosten einer gewissen Duktilität und Zähigkeit.

Spannungsarmglühen bei 480 - 650 Grad: wird nach dem Schweißen, der Schwerbearbeitung oder dem Richten angewendet, um die Abmessungen zu stabilisieren.

Das Beta-Glühen über dem Transus erzeugt eine umgewandelte Struktur mit verbesserter Bruchzähigkeit, aber geringerer Duktilität und Ermüdungsbeständigkeit und ist nur für bestimmte Anwendungen mit dicken Abschnitten spezifiziert. Da der Übergang bei etwa 995 Grad liegt, ist eine Ofensteuerung von plus oder minus 10 Grad für das kommerzielle Glühen ausreichend. Eine strengere Kontrolle ist jedoch immer dann erforderlich, wenn der Übergang selbst die Prozessgrenze darstellt.

Verarbeitung, Schweißen und Qualitätskontrolle

TC4-Maschinen mit einem charakteristischen Verhalten: Eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 6,7 ​​W/(mK) konzentriert die Schneidwärme an der Werkzeugkante und das Material neigt dazu, sich am Werkzeug festzufressen. Scharfe Hartmetall- oder Keramikwerkzeuge, hohe Vorschübe, moderate Geschwindigkeiten, großzügige Kühlmittelzufuhr und starre Aufbauten sind die Standard-Gegenmaßnahmen.

Beim Schweißen handelt es sich normalerweise um das Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen in einer Inertkammer oder mit einer nachlaufenden Abschirmung, wobei ein passender Zusatzdraht und ein Schutzgas-Taupunkt verwendet werden, der niedrig genug ist, um eine Kontamination zu verhindern. Da Titan bei Schweißtemperatur leicht mit Sauerstoff und Stickstoff reagiert, wird die Farbe der Schweißnaht als praktischer Akzeptanzindikator verwendet und eine Spannungsentlastung nach dem Schweißen wird auf Komponenten angewendet, die enge Toleranzen einhalten müssen.

Die Inspektion von Mühlenprodukten erfolgt nach einem festen Ablauf: chemische Analyse bei jeder Schmelze, Zugprüfung nach ASTM E8/E8M bei jeder Charge, Härte nach ASTM E18, Korngröße nach ASTM E112 und Ultraschallprüfung von Stangen und Knüppeln nach AMS 2631 oder ASTM E2375. Bleche und Platten werden visuell auf Alpha-Fälle geprüft, und das für die anschließende Umformung vorgesehene Material sollte als frei von Oberflächenverunreinigungen bescheinigt werden. Die Dokumentation wird als Werksprüfzertifikat nach EN 10204 3.1 ausgestellt, wobei die Chargennummer, die Spezifikationsrevision und die mechanischen Ergebnisse ausdrücklich angegeben sind.

Häufig gestellte Fragen

F: Ist TC4 dasselbe wie Ti-6Al-4V und Grade 5?

A: Ja. TC4 ist die inländische Bezeichnung, Grade 5 ist die ASTM-Bezeichnung und Ti-6Al-4V beschreibt die nominelle Zusammensetzung. Alle drei beziehen sich auf dieselbe Alpha-Beta-Legierung, obwohl die in der Bestellung angegebene Spezifikation die tatsächlichen Akzeptanzgrenzen regelt.

F: Was ist die maximale Betriebstemperatur für TC4?

A: Der Dauerbetrieb ist im Allgemeinen auf etwa 400 Grad begrenzt. Oberhalb dieser Temperatur steigen die Oxidationsrate und die Kriechverformung schnell an, und für Langzeitbetrieb über 450 Grad ist eine Nahe-Alpha-Legierung der übliche Ersatz.

F: Warum federt TC4 beim Biegen so stark zurück?

A: Sein Elastizitätsmodul ist etwa halb so hoch wie der von Stahl, daher ist die elastische Erholung nach der Umformung proportional größer. Die Werkzeuge müssen mit erhöhter Überbiegung konstruiert werden, oder das Teil sollte warmgeformt werden, um die erforderliche Kompensation zu reduzieren.

F: Kann TC4 wie Stahl durch Wärmebehandlung gehärtet werden?

A: Nicht im gleichen Maße. Lösungsbehandlung und Alterung erhöhen die Zugfestigkeit von 895 MPa auf etwa 1000 - 1100 MPa, was einer Steigerung von nur 10 bis 20 % entspricht, und der Prozess kostet Duktilität und Bruchzähigkeit.

F: Welcher Sauerstoffgehalt sollte angegeben werden?

A: Für den allgemeinen strukturellen Einsatz ist die Standardklasse 5 mit einem maximalen Sauerstoffgehalt von 0,20 % ausreichend. Wenn Bruchzähigkeit oder Tieftemperatureinsatz von Bedeutung sind, geben Sie Güteklasse 23 mit einem Sauerstoffgehalt von maximal 0,13 % an.

F: Wie wird TC4 nach der Lieferung identifiziert?

A: Durch positive Materialidentifizierung bei jeder Schmelze, kombiniert mit dem Werkstestzertifikat und der Stempelung der Schmelzennummer. Da Titanlegierungen optisch nicht zu unterscheiden sind, reicht eine Zertifikatsprüfung allein nicht aus.