Die Natur der Rissbildung in Titanstäben
Risse in Titanstäben treten entweder während der Verarbeitung auf, beispielsweise beim Schmieden, Walzen oder bei der Wärmebehandlung, oder später im Betrieb als verzögerter Ausfall. Die Risse können innerlich, oberflächlich-brechend oder beides sein, und ihre Lage und ihr Aussehen geben den ersten Hinweis auf die Ursache.
Da Titanstäbe in der Regel zu kritischen Bauteilen verarbeitet werden, ist ein gerissener Stab ein schwerwiegendes Qualitätsproblem und die Grundursache muss gefunden und beseitigt werden.
Wasserstoffversprödung
Wasserstoff ist die gefährlichste Verunreinigung in Titan, da bereits geringe Mengen zu einer verzögerten Rissbildung führen können. Beim Beizen, Schweißen oder Wärmebehandeln aufgenommener Wasserstoff fällt als spröde Titanhydridplättchen aus, die unter Rest- oder Betriebsspannung oft Stunden nach dem Prozess reißen.
Die Prävention beginnt mit Wasserstoffgrenzwerten in der Spezifikation, typischerweise unter 150 ppm für Stangen, und wird bei Bedarf mit kontrolliertem Beizen, Trockenschweißatmosphären und Vakuumglühen fortgesetzt.
Oberflächenkontamination und Alpha-Fall
Bei hoher Temperatur absorbiert Titan Sauerstoff und Stickstoff aus der Ofenatmosphäre und bildet eine mit Sauerstoff angereicherte Oberflächenschicht, die als Alpha-Hülle bezeichnet wird. Das Alpha-Gehäuse ist hart und spröde und reißt beim anschließenden Schmieden, Walzen oder unter Betriebsbelastung.
Die Lösung besteht darin, die Ofenatmosphäre zu kontrollieren, die Zeit bei Temperatur zu begrenzen und die kontaminierte Schicht durch maschinelle Bearbeitung oder Beizen nach der Warmumformung und Wärmebehandlung zu entfernen.
Schmiede- und Wärmebehandlungsfehler
Schmiedefehler wie Überlappungen, Falten und innere Brüche treten auf, wenn das Material außerhalb seines Temperaturfensters oder bei übermäßiger Reduktion bearbeitet wird. Durch Überhitzung können Korngrenzen schmelzen und durch falsches Abkühlen können hohe Eigenspannungen entstehen, die Risse verursachen.
Eine ordnungsgemäße Temperaturkontrolle, eine angemessene Ofengleichmäßigkeit und korrekte Verformungspläne verhindern diese Mängel, und die Überprüfung durch Ultraschallprüfung nach dem Schmieden bestätigt die innere Integrität.
Prävention und Qualitätssicherung
Die Qualitätssicherung für Titanbarren kombiniert chemische Überprüfung, Ultraschallprüfung, Oberflächenprüfung und mechanische Prüfung. Ultraschallprüfungen gemäß ASTM E2375 erkennen interne Defekte und Einschlüsse, während die Flüssigkeitseindringprüfung oberflächliche Risse aufspürt.
Mikrostrukturuntersuchungen bestätigen die Wärmebehandlung und Härte- und Zugtests bestätigen den mechanischen Zustand. Mit diesen Kontrollen wird rissiges Material abgefangen, bevor es den Kunden erreicht.
Häufig gestellte Fragen
F: Was verursacht Risse in Titanstangen?
A: Die Hauptursachen sind Wasserstoffversprödung, Oberflächenverunreinigung, Schmiedefehler und unsachgemäße Wärmebehandlung.
F: Wie spaltet Wasserstoff Titan?
A: Wasserstoff fällt als spröde Hydridplättchen aus, die unter Belastung reißen und oft zu einem verzögerten Ausfall führen.
F: Was ist Alpha-Fall?
A: Alpha-Hülle ist eine harte, spröde, mit Sauerstoff-angereicherte Oberflächenschicht, die sich bei hoher Temperatur bildet und unter Belastung reißt.
F: Wie wird ein Titanbarren auf Risse untersucht?
A: Ultraschallprüfungen erkennen interne Defekte und Flüssigkeitseindringprüfungen finden Oberflächenrisse.
F: Wie hoch ist der Wasserstoffgrenzwert für Titanbarren?
A: Der Wasserstoffgehalt ist durch die Materialspezifikation typischerweise auf unter 150 ppm begrenzt.
