ti-6al-4vTi-6Al-4V, auch bekannt als Titanlegierung Grad 5, ist eine der beliebtesten Titanlegierungen, die in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt wird. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über Ti-6Al-4V, einschließlich seiner Zusammensetzung, Eigenschaften, Anwendungen, Spezifikationen, Preise, Handhabung und mehr.
Ti-6Al-4V Zusammensetzung
Ti-6Al-4V ist eine Alpha-Beta-Titanlegierung mit 6 % Aluminium, 4 % Vanadium, 0,25 % (maximal) Eisen, 0,2 % (maximal) Sauerstoff und dem Rest Titan. Hier ist die nominelle Zusammensetzung von Ti-6Al-4V:
| Element | Gewicht % |
|---|---|
| Titan | Waage |
| Aluminium | 5.5 – 6.75 |
| Vanadium | 3.5 – 4.5 |
| Eisen | ≤ 0.3 |
| Sauerstoff | ≤ 0.2 |
Das Aluminium stabilisiert und stärkt die Alpha-Phase, während das Vanadium die Bildung der Beta-Phase ermöglicht. Die Kombination von Alpha- und Beta-Phasen verleiht Ti-6Al-4V eine ausgezeichnete Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit.
Ti-6Al-4V Eigenschaften
Ti-6Al-4V hat die folgenden Eigenschaften, die es für die Luft- und Raumfahrt, die Medizin, die Schifffahrt und andere Anwendungen vorteilhaft machen:
| Eigentum | Wert |
|---|---|
| Dichte | 4,43 g/cm3 |
| Schmelzpunkt | 1604 – 1660°C |
| Zugfestigkeit | 895 – 1170 MPa |
| Streckgrenze | 825 – 1103 MPa |
| Dehnung | 8 – 16% |
| Elastischer Modul | 114 GPa |
| Ermüdungsfestigkeit | 400 – 500 MPa |
| Bruchzähigkeit | 55 – 115 MPa-m^1/2 |
| Korrosionsbeständigkeit | Ausgezeichnet |
| Biokompatibilität | Ausgezeichnet |
Wesentliche Merkmale:
- Geringes Gewicht mit hohem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis
- Hält extremen Temperaturen stand
- Hohe Ermüdungsfestigkeit
- Beständig gegen Korrosion, Säuren und Chloride
- Kompatibel für Implantate und Prothesen
Ti-6Al-4V Anwendungen
Ti-6Al-4V wird aufgrund seiner einzigartigen Kombination von Eigenschaften in den folgenden Hauptanwendungen eingesetzt:
| Industrie | Anwendungen |
|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Triebwerkskomponenten, Flugzeugzellen, Befestigungselemente, Hydrauliksysteme |
| Biomedizinische | Chirurgische Implantate, orthopädische und zahnärztliche Prothetik |
| Marine | Propeller, Offshore-Plattformen, Pipelines, Wärmetauscher |
| Chemisch | Tanks, Rohrleitungen, Ventile, Pumpen, Reaktionsbehälter |
| Automobilindustrie | Ventile, Pleuelstangen, Tragfedern |
| Stromerzeugung | Dampfturbinenschaufeln, Teile für Müllverbrennungsanlagen, Wärmetauscher |
| Sportartikel | Golfschläger, Fahrradrahmen, Tennisschläger, Hockeyschläger |
Ti-6Al-4V ermöglicht die Entwicklung leichterer, schnellerer und haltbarerer Komponenten und Geräte.
Ti-6Al-4V Spezifikationen
Ti-6Al-4V wird durch die folgenden Spezifikationen abgedeckt:
| Standard | Titel |
|---|---|
| AMS 4911 | Titan 6Al-4V-Legierung, geglühtes Blech/Band/Platte |
| ASTM B348 | Stangen und Knüppel aus Titan und Titanlegierungen |
| ASTM F1472 | Titan-6-Aluminium-4-Vanadium-Knetlegierung für chirurgische Implantatanwendungen |
| ASTM F1108 | Titan-6-Aluminium-4-Vanadium-Legierung für chirurgische Implantate |
| AMS 4928 | Feinguss, korrosionsbeständiger Stahl, hochfest, vakuumgeschmolzen, Titanlegierungen |
| AMS 4965 | Bleche, Bänder und Platten aus Titanlegierungen 6Al -4V geglüht |
| MSRR 9545 | Titanlegierung, Blech, Band und Platte 6Al – 4V, geglüht |
Diese umfassen die Grenzwerte für die Legierungszusammensetzung, die mechanischen Eigenschaften, die Wärmebehandlung, die Anforderungen an das Mikrogefüge, die Korrosionsprüfung und andere Parameter.
Ti-6Al-4V Produktformulare
Ti-6Al-4V wird in den folgenden Formen, Größen, Gestalten und Ausführungen hergestellt:
| Produkt Form | Größenbereich |
|---|---|
| Blatt | 0,4 – 6,35 mm Dicke |
| Platte | 6 – 250 mm Dicke |
| Bar | Bis zu 650 mm Durchmesser |
| Stab | Bis zu 650 mm Durchmesser |
| Draht | 0,1 – 15 mm Durchmesser |
| Tube | 2 – 300 mm Durchmesser |
| Gussteile | Individuelle Größen und Formen |
| Formteile | Individuelle Größen und Formen |
Die Oberflächen sind warmgewalzt, kaltgewalzt, geglüht, poliert, bearbeitet, gebeizt, entzundert und vieles mehr.
Ti-6Al-4V-Sorten
Ti-6Al-4V fällt unter die folgenden ASTM-Güteklassen, die sich in der Mindestzugfestigkeit und Streckgrenze unterscheiden:
| ASTM-Klasse | Zugfestigkeit (min) MPa | Streckgrenze (min) MPa |
|---|---|---|
| Klasse 5 | 895 | 825 |
| Raster 23 | 965 | 895 |
| Raster 24 | 1170 | 1103 |
Die Sorte 5 Ti-6Al-4V bietet die Standardeigenschaften, während die Sorten 23 und 24 hochfeste Varianten sind.
Ti-6Al-4V Lieferanten
Ti-6Al-4V ist bei den folgenden großen Titanlieferanten und -händlern leicht erhältlich:
- ATI
- VSMPO-AVISMA
- Western Metal Materials
- Baoji Titanium Industry Co.
- Westliche supraleitende Technologien
- Titanium Industries
Die weltweite Produktionskapazität für Titanschwamm wird für das Jahr 2020 auf rund 330.000 Tonnen geschätzt, wovon ein Großteil für die Herstellung von Ti-6Al-4V verwendet wird.
Ti-6Al-4V Preisgestaltung
Ab 2023 liegt der Preis für Ti-6Al-4V bei etwa:
| Produkt Form | Preisspanne pro kg |
|---|---|
| Blatt/Platte | $15 – $50 |
| Bar/Rod | $15 – $35 |
| Draht | $25 – $60 |
| Tube | $20 – $45 |
| Gussteile | $25 – $100 |
| Formteile | $25 – $100 |
Die Preise variieren je nach Größe, Dicke, Sorte, Bestellmenge, Verarbeitung, Vorlaufzeiten und Dynamik von Angebot und Nachfrage. Die Werke bieten in der Regel mengenabhängige Rabatte an.
Ti-6Al-4V-Bearbeitung
Ti-6Al-4V hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit, so dass die Wärme während der Bearbeitung nur langsam abgeleitet wird. Zu den empfohlenen Techniken gehören:
- Verwenden Sie starre Aufbauten zur Minimierung von Vibrationen
- Verwendung hoher Schnittgeschwindigkeiten mit langsamen Vorschüben/Tiefen
- Verwenden Sie Werkzeuge mit hohem positivem Spanwinkel und scharfen Schneidkanten
- Schwere Flutkühlung mit Emulsionen anwenden
- Kontrolle der Spanbildung zur Vermeidung von Kaltverfestigung
Üblicherweise werden Hartmetall-, Cermet-, CBN- und Diamantwerkzeuge verwendet. Schwefelhaltige Kühlmittel sollten vermieden werden.
Ti-6Al-4V Schweißen
Ti-6Al-4V kann mit GTAW, PAW, LBW und anderen Verfahren geschweißt werden. Vorsichtsmaßnahmen umfassen:
- Aufrechterhaltung der Schutzgasabschirmung zur Vermeidung von Oxidation
- Begrenzung der Wärmezufuhr, um Risse und Festigkeitsverluste zu vermeiden
- Eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen kann erforderlich sein.
- Zusammensetzung des Zusatzwerkstoffs auf den Grundwerkstoff abstimmen
Gängige Schweißzusatzwerkstoffe sind ER5356 und ER2319.
Ti-6Al-4V Wärmebehandlung
Ti-6Al-4V kann wärmebehandelt werden, um sein Gefüge und seine mechanischen Eigenschaften zu verändern:
| Prozess | Typische Wärmebehandlung |
|---|---|
| Glühen | 705°C für 2 Stunden, an der Luft abkühlen |
| Stressabbau | 480 – 650°C für 2 – 4 Stunden, Luftkühlung |
| Lösung Behandlung | 930 – 955°C für 1 Stunde, Wasserabschreckung |
| Alterung | 480 – 595°C für 2 – 8 Stunden, Luftkühlung |
Das Glühen verbessert die Duktilität und Bearbeitbarkeit. Alterung erhöht die Festigkeit. Die richtige Wärmebehandlung ist entscheidend für die Optimierung der Eigenschaften.
Ti-6Al-4V Schmieden
Durch Schmieden werden solide Ti-6Al-4V-Bauteile mit ausgezeichneter Ermüdungsfestigkeit hergestellt. Wichtige Aspekte des Schmiedens:
- Langsam auf Schmiedetemperatur 700 – 850°C erhitzen
- Es können mehrere Schmiedestücke mit Zwischenglühungen erforderlich sein.
- Schmiedestücke vor dem Glühen warm entgraten
- Glühen nach dem Schmieden zum Abbau von Spannungen
- Die Bearbeitungszugabe sollte 1 – 2 mm betragen.
Beim Gesenkschmieden unter Hämmern oder Pressen werden die besten Eigenschaften erzielt. Titan erfordert hohe Kräfte beim Schmieden.
Ti-6Al-4V Guss
Feinguss aus Ti-6Al-4V ermöglicht die Herstellung komplexer Formen mit guter Oberflächengüte:
- Verwendung mehrerer Anschnitte und Steigleitungen für solide Gussteile
- Aufrechterhaltung einer inerten Atmosphäre während des Schmelzens und Gießens
- Heißisostatisches Pressen (HIP) hilft bei der Beseitigung interner Defekte
- Oberfläche chemisch fräsen, um Alphahülle zu entfernen
- Glühen von Gussteilen zur Verbesserung der Duktilität
Gegossenes Ti-6Al-4V hat eine geringere Ermüdungsfestigkeit als geknetete Produkte.
Ti-6Al-4V-Verbindungen
Übliche Ti-6Al-4V-Verbindungsmethoden sind:
- Schmelzschweißen (GTAW, PAW, LBW, Elektronenstrahl)
- Hartlöten mit Ti-Cu-Ni-Loten
- Mechanische Befestigung, Bolzen, Nieten
- Verkleben mit Epoxid oder Polyimid
Die Festigkeit der Verbindung hängt vom verwendeten Verfahren ab. Die richtige Legierungszusammensetzung und die Minimierung von Verunreinigungen sind entscheidend.
Ti-6Al-4V Handhabung
Empfohlene Handhabungspraktiken für Ti-6Al-4V:
- Verwenden Sie saubere Handschuhe, um eine Kontamination durch Hautfette und -salze zu vermeiden.
- Vermeiden Sie den Kontakt mit gefährlichen Metallen wie Cadmium, Quecksilber, Gallium
- Verhindern Sie den Kontakt mit Säuren, Chloriden und anderen ätzenden Chemikalien
- In kühler, trockener, inerter Umgebung und vor Feuchtigkeit geschützt lagern
- Schutz vor Kratzern, Kerben und Dellen bei Transport und Lagerung
Titanstaub ist leicht entzündlich und reagiert empfindlich auf statische Entladung. Ordnungsgemäße Erdung, Belüftung und Reinigung beachten.
Ti-6Al-4V Sicherheit
Wichtige Sicherheitsmaßnahmen für den Umgang mit Titanlegierungen:
- Geeignete PSA tragen – Augenschutz, Staubmaske, Handschuhe
- Verwenden Sie bei der Bearbeitung eine ausreichende örtliche Abluftanlage
- Vermeiden Sie das Einatmen von Dämpfen vom Schweißen oder thermischen Schneiden
- Verhinderung der Ansammlung von Spänen und Staub
- Sicherstellen, dass angemessene Feuerlöschgeräte vorhanden sind
- Befolgen Sie sichere Praktiken für Druckgasflaschen und Kryogene
Titan selbst hat eine geringe Toxizität, aber bei der Verarbeitung können gefährliche Partikel entstehen.
Ti-6Al-4V-Prüfung
Ti-6Al-4V-Teile werden in der Regel mit einem Prüfgerät geprüft:
- Visuelle und makroskopische Prüfung auf Mängel
- Flüssigkeitseindringprüfung zum Aufspüren von Oberflächenfehlern
- Ultraschallprüfung auf innere Unversehrtheit
- Röntgenuntersuchung mit Röntgen- oder Gammastrahlen
- Wirbelstromverfahren zur Ermittlung von Rissen und Hohlräumen
- Erprobung und Druckprüfung der fertigen Komponenten
Auch die Maserung, die Tiefe der Alphahülse, die Oberflächenbeschaffenheit und die Abmessungen werden in der Regel geprüft.
Ti-6Al-4V Qualitätssicherung
Ti-6Al-4V-Lieferanten sollten über zertifizierte Qualitätssysteme verfügen:
- ISO 9001 Qualitätsmanagement
- AS9100 Luft- und Raumfahrtnorm
- ISO 13485 Norm für Medizinprodukte
- NADCAP Spezialverfahren wie Wärmebehandlung und NDT
Für Flugzeuge und medizinische Anwendungen gelten zusätzliche gesetzliche Anforderungen.
Vorteile von Ti-6Al-4V
- Ausgezeichnetes Verhältnis von Stärke zu Gewicht
- Hält extremen Temperaturen stand
- Widersteht Korrosion in vielen Umgebungen
- Biokompatibel für Implantate
- Kann zur Anpassung der Eigenschaften wärmebehandelt werden
- Leicht formbar und bearbeitbar
- Erhältlich bei vielen qualifizierten Anbietern
Beschränkungen von Ti-6Al-4V
- Teurer als Stähle und Aluminiumlegierungen
- Geringere Steifigkeit als Stahl
- Nicht bis zur vollen Härte wärmebehandelbar
- Anfällig für Fressen und Festfressen bei der Bearbeitung
- Die Querschnittsgrößen sind durch die Möglichkeiten des Schmiedens und Gießens begrenzt.
- Schmelzen erfordert kontrollierte inerte Atmosphäre
Ti-6Al-4V im Vergleich zu anderen Titan-Legierungen
Wie schneidet Ti-6Al-4V im Vergleich zu anderen gängigen Titanlegierungen ab?
| Legierung | Stärke | Korrosionsbeständigkeit | Kosten | Anwendungsfälle |
|---|---|---|---|---|
| ti-6al-4v | Hoch | Ausgezeichnet | Mäßig | Luft- und Raumfahrt, Marine, Biomedizin |
| CP Titan | Mittel | Ausgezeichnet | Niedrig | Chemie, Meerwassersysteme |
| Ti-10V-2Fe-3Al | Sehr hoch | Gut | Hoch | Befestigungselemente für die Luft- und Raumfahrt, Takelage |
| Ti-3Al-2,5V | Mittel | Ausgezeichnet | Mäßig | Düsentriebwerke, Flugzeugzellen |
| Ti-13V-11Cr-3Al | Hoch | Ausgezeichnet | Sehr hoch | Komponenten für die Luft- und Raumfahrt |
Ti-6Al-4V bietet die besten Allround-Eigenschaften zu einem vernünftigen Preis. Andere Legierungen bieten eine höhere Festigkeit oder Korrosionsbeständigkeit für spezielle Anwendungen.
FAQ
F: Wofür wird Ti-6Al-4V verwendet?
A: Ti-6Al-4V wird häufig in der Luft- und Raumfahrt, in der Schifffahrt, in der chemischen Verarbeitung, in der Biomedizin und in Verbraucheranwendungen eingesetzt, wo hohe Festigkeit, geringes Gewicht und Korrosionsbeständigkeit erforderlich sind.
F: Ist Ti-6Al-4V stärker als Stahl?
A: Ja, Ti-6Al-4V hat ein besseres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht als die meisten Stähle, aber eine geringere Steifigkeit. Es ist etwa 60 % schwerer als Aluminium.
F: Ist Ti-6Al-4V für medizinische Implantate geeignet?
A: Ja, Ti-6Al-4V hat eine ausgezeichnete Biokompatibilität und wird häufig für Gelenkersatz, Zahnimplantate, Herzschrittmacher und Geräte zur Fixierung von Frakturen verwendet.
F: Ist für Ti-6Al-4V eine Wärmebehandlung erforderlich?
A: Ti-6Al-4V kann wärmebehandelt werden, um seine Eigenschaften zu verändern. Durch Lösungsbehandlung und Alterung kann seine Festigkeit erheblich gesteigert werden.
F: Was ist der Unterschied zwischen Ti-6Al-4V Grad 5 und Grad 23?
A: Güteklasse 5 ist die Standardlegierung mit einer Mindestzugfestigkeit von 895 MPa. Die Sorte 23 hat höhere Festigkeitsanforderungen von mindestens 965 MPa.
F: Wie hoch ist die Korrosionsbeständigkeit von Ti-6Al-4V?
A: Ti-6Al-4V hat eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit gegenüber den meisten Säuren, Chloriden und Salzwasser. Seine Passivität wird über einen breiten pH-Bereich beibehalten.
F: Kann man Ti-6Al-4V schweißen?
A: Ja, Schweißverfahren wie GTAW, LBW und PAW können zum Schweißen von Ti-6Al-4V verwendet werden. Um die Unversehrtheit der Verbindung zu gewährleisten, sollten die richtigen Verfahren befolgt werden.
F: Wie hoch sind die Kosten für Ti-6Al-4V im Vergleich zu anderen Metallen?
A: Pro Pfund ist Ti-6Al-4V teurer als Stähle und Aluminiumlegierungen, aber billiger als exotische Legierungen wie Inconel oder Hastelloy.
F: Welche Alternativen gibt es zu Ti-6Al-4V?
A: Für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt bietet Ti-10V-2Fe-3Al eine höhere Festigkeit. Für die Korrosionsbeständigkeit sind CP-Titan oder Ti-3Al-2,5V hervorragend geeignet. Ti-1023 und Ti-5553 sind neuere hochfeste Legierungen.