Warum bevorzugen die Luftfahrt- und Mobilfunkbranche Titanlegierungen? Dieses Hightech-Material, das für sein unglaubliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und seine Hitze- und Korrosionsbeständigkeit bekannt ist, revolutioniert das Design von Flugzeugen und Smartphones. In der Luftfahrt reduzieren Titanlegierungen das Gewicht und verbessern die Leistung unter extremen Bedingungen. Hersteller von Mobiltelefonen setzen Titan ein, um die Haltbarkeit und Eleganz ihrer Geräte zu verbessern und sie widerstandsfähiger und attraktiver zu machen. Lesen Sie weiter und erfahren Sie mehr über die Vorteile und spezifischen Anwendungen von Titanlegierungen in diesen zukunftsweisenden Branchen.
Im Jahr 1948 begann das amerikanische Unternehmen DuPont mit der Massenproduktion von Titanschwamm nach dem Magnesiumverfahren und läutete damit den Beginn der industriellen Titanproduktion ein.
Titanlegierungen mit ihrer hohen spezifischen Festigkeit, ihrer ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit und ihrer hervorragenden Wärmebeständigkeit werden heute in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt.
Titanlegierungen werden seit mehr als einem halben Jahrhundert in der Luftfahrtindustrie verwendet. Im Bereich der Unterhaltungselektronik haben Marken wie Huawei, Apple, Xiaomi und Honor dieses Material in viele ihrer Smartphone-Modelle eingebaut, und es wird erwartet, dass immer mehr Elektronikhersteller Titanlegierungen verwenden werden. Aber was macht Titan Legierungen so allgemein beliebt sind?
1. Hohe spezifische Festigkeit:
1,3-mal so hoch wie die von Aluminiumlegierungen, 1,6-mal so hoch wie die von Magnesiumlegierungen und 3,5-mal so hoch wie die von rostfreiem Stahl, womit es der Spitzenreiter unter den metallische Werkstoffe.
2. Hohe thermische Festigkeit:
Es kann langfristig bei Temperaturen betrieben werden, die mehrere hundert Grad höher sind als bei Aluminiumlegierungen, nämlich zwischen 450 und 500 °C.
3. Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit:
Es ist beständig gegen Säuren, Laugen und atmosphärische Korrosion und weist eine besonders hohe Beständigkeit gegen Lochfraß und Spannungskorrosion auf.
4. Gute Leistung bei niedrigen Temperaturen:
Bestimmte Titanlegierungen, wie das interstitiell niedrige TA7, behalten auch bei -253 °C eine gewisse Plastizität.
5. Hohe chemische Reaktivität:
Bei hohen Temperaturen ist Titan sehr reaktionsfreudig und verbindet sich leicht mit Gasen wie Wasserstoff und Sauerstoff in der Luft, wodurch eine gehärtete Schicht entsteht.
6. Geringe Wärmeleitfähigkeit und niedriger Elastizitätsmodul:
Seine Wärmeleitfähigkeit beträgt etwa ein Viertel derjenigen von Nickel, ein Fünftel derjenigen von Eisen und ein Vierzehntel derjenigen von Aluminium. Die Wärmeleitfähigkeit verschiedener Titanlegierungen ist etwa 50% niedriger als die von Reintitan. Der Elastizitätsmodul von Titanlegierungen ist etwa halb so groß wie der von Stahl.
Titanlegierungen können in folgende Kategorien eingeteilt werden: hitzebeständige Legierungen, hochfeste Legierungen, korrosionsbeständige Legierungen (z. B. Titan-Molybdän, Titan-Palladium), Tieftemperaturlegierungen und Sonderlegierungen (z. B. Titan-Eisen-Wasserstoffspeicher, Titan-Nickel-Formgedächtnislegierungen).
Trotz der relativ kurzen Geschichte ihrer Anwendung haben ihre herausragenden Eigenschaften Titan und seinen Legierungen mehrere prestigeträchtige Titel eingebracht, von denen der erste "das Metall des Weltraums" ist.
Durch sein geringes Gewicht, seine hohe spezifische Festigkeit und seine hohe Temperaturbeständigkeit eignet es sich besonders für die Herstellung von Flugzeugen und verschiedenen Raumfahrzeugen.
Etwa drei Viertel der weltweiten Produktion von Titan und Titanlegierungen werden in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet, wobei viele Bauteile, die ursprünglich aus Aluminiumlegierungen hergestellt wurden, nun durch Titanlegierungen ersetzt werden.
Titanlegierungen werden in erster Linie für die Herstellung von Flugzeug- und Triebwerkskomponenten verwendet, wie z. B. geschmiedete Titanlüfterblätter, Kompressorscheiben und -schaufeln, Triebwerksabdeckungen, Abgassysteme und Strukturrahmen wie z. B. Holmwände von Flugzeugen.
In der Raumfahrt werden die hohe spezifische Festigkeit, die Korrosionsbeständigkeit und die Tieftemperaturbeständigkeit von Titanlegierungen für die Herstellung verschiedener Druckbehälter, Treibstofftanks, Befestigungselemente, Instrumentenhalterungen, Rahmen und Raketengehäuse genutzt.
Künstliche Satelliten, Mondmodule, bemannte Raumfahrzeuge und Space Shuttles verwenden ebenfalls geschweißte Komponenten aus Titanlegierungsblechen.
1950 verwendeten die Vereinigten Staaten erstmals Titanlegierungen im Jagdbomber F-84 für nicht tragende Komponenten wie Hitzeschilde für den hinteren Rumpf, Windabweiser und Heckabdeckungen.
Ab den 1960er Jahren verlagerten sich die Anwendungen von Titanlegierungen vom hinteren in den mittleren Rumpfbereich und ersetzten teilweise den Baustahl bei der Herstellung von Spanten, Trägern und Klappenbahnen als wichtige tragende Komponenten.
Ab den 1970er Jahren wurden Titanlegierungen in großem Umfang in der zivilen Luftfahrt eingesetzt. In der Boeing 747 wurden über 3.640 Kilogramm Titan verbaut, was 28% des Flugzeuggewichts entspricht.
Mit der Weiterentwicklung der Verarbeitungstechniken wurde eine beträchtliche Menge an Titanlegierungen auch in Raketen, Satelliten und Space Shuttles verwendet. Je fortschrittlicher das Flugzeug ist, desto mehr Titan wird verwendet.
Das amerikanische Kampfflugzeug F-14A verwendet Titanlegierungen, die etwa 25% seines Gewichts ausmachen; die F-15A hat 25,8%; die Kampfflugzeuge der vierten Generation verwenden bis zu 41% Titan, wobei allein das Triebwerk des F119 mit 39% den höchsten Titanverbrauch aller bisherigen Flugzeuge aufweist.
Warum müssen in Transportflugzeugen Titanlegierungen verwendet werden? Moderne Flugzeuge können Geschwindigkeiten von bis zum 2,7-fachen der Schallgeschwindigkeit erreichen. Bei solch hohen Überschallgeschwindigkeiten entsteht durch die Reibung mit der Luft eine beträchtliche Wärmemenge.
Wenn die Fluggeschwindigkeit das Doppelte der Schallgeschwindigkeit übersteigt, halten Aluminiumlegierungen den Bedingungen nicht mehr stand, so dass der Einsatz von hochtemperaturbeständigen Titanlegierungen erforderlich wird.
Da das Verhältnis von Schub zu Gewicht bei Flugzeugtriebwerken von 4-6 auf 8-10 gestiegen ist und die Verdichteraustrittstemperatur von 200-300°C auf 500-600°C erhöht wurde, mussten die Niederdruckverdichterscheiben und -schaufeln, die früher aus Aluminium bestanden, durch Titanlegierungen ersetzt werden.
Die jüngsten Fortschritte bei der Untersuchung der Eigenschaften von Titanlegierungen haben zu erheblichen Fortschritten geführt.
Herkömmliche Titanlegierungen aus Titan, Aluminium und Vanadium mit einer maximalen Arbeitstemperatur von 550 bis 600 °C wurden durch neu entwickelte Titanaluminid (TiAl)-Legierungen mit einer maximalen Arbeitstemperatur von bis zu 1040 °C ersetzt.
Der Ersatz von Edelstahl durch Titanlegierungen bei der Herstellung von Hochdruckverdichterscheiben und -schaufeln kann das Strukturgewicht reduzieren. Eine Gewichtsreduzierung von 10% bei Flugzeugen kann zu einer Treibstoffeinsparung von 4% führen. Bei Raketen kann eine Gewichtsreduzierung von 1 kg die Reichweite um 15 km erhöhen.
In der hart umkämpften Unterhaltungselektronikbranche, die durch Mobiltelefone repräsentiert wird, sind die führenden Hersteller an der Verwendung von Titanlegierungen interessiert, um die Premiumisierung ihrer Produkte zu verbessern.
Marken wie Huawei, Apple, Xiaomi und Honor haben dieses Material bereits in verschiedene Produkte integriert. Apple hat seine Uhren der Ultra-Serie standardmäßig mit Titangehäusen ausgestattet, und sein neuestes iPhone 15 enthält ein Pro-Modell mit einem völlig neuen Titangehäuse, das erste Apple-Telefon, das Titan in Luftfahrtqualität verwendet.
Im Jahr 2022 verwendete Huawei eine Titanlegierung für die strukturellen Komponenten seines Telefons mit faltbarem Bildschirm, des MateXs2, und baute einen Titanrahmen in die Watch4Pro ein.
Am 12. Oktober hat Honor sein neues faltbares Smartphone-Flaggschiff, das Honor MagicVs2, vorgestellt, das mit innovativen Materialien wie dem Luban-Titan-Scharnier ausgestattet ist. In Xiaomis neuem Lineup ist das 14 Pro Titanium das teuerste Modell.
Es wird berichtet, dass Samsung für sein kommendes Galaxy S24 Ultra einen Rahmen aus einer Titanlegierung verwenden wird, ähnlich dem ursprünglichen Titan-Farbschema des iPhone 15 Pro.
Insgesamt ist die Kombination aus hoher spezifischer Festigkeit und geringem Gewicht einer der Hauptgründe, warum Titanlegierungen weithin gefördert werden, da sie die Tragbarkeit von Unterhaltungselektronik erhöhen und ein komfortableres Benutzererlebnis bieten.
Erstens haben Titanlegierungen eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, nur ein Viertel der von Stahl, ein Dreizehntel der von Aluminium und ein Zwanzigfünftel der von Kupfer. Die langsame Wärmeableitung im Schneidbereich ist dem thermischen Gleichgewicht nicht förderlich.
Während des Bearbeitungsprozesses können schlechte Wärmeabfuhr und Kühleffekte zu hohen Temperaturen, erheblichen Verformungen und Rückfederung in bearbeiteten Teilen, was zu einem erhöhten Drehmoment des Schneidwerkzeugs und einem schnellen Werkzeugverschleiß führt, was die Lebensdauer des Werkzeugs verringert.
Zweitens führt die geringe Wärmeleitfähigkeit von Titanlegierungen dazu, dass sich die Schneidewärme in einem kleinen Bereich in der Nähe des Schneidewerkzeugs staut, der nur schwer abgeführt werden kann. Dies erhöht die Reibung an der Spanfläche, erschwert die Spanabfuhr und beschleunigt den Werkzeugverschleiß.
Schließlich bedeutet die hohe chemische Reaktivität von Titanlegierungen, dass sie dazu neigen, mit Werkzeugen zu reagieren Materialien bei hohen Temperaturen während der Bearbeitung, was zu Lötung und Diffusion führt, was zum Verkleben des Werkzeugs, zum Verbrennen des Werkzeugs und sogar zum Bruch des Werkzeugs führen kann.
Bearbeitungszentren können mehrere Teile gleichzeitig bearbeiten, was die Produktionseffizienz erhöht. Sie verbessern die Bearbeitungspräzision und gewährleisten eine gute Konsistenz der Produkte.
Diese Zentren bieten Werkzeugkompensation Fähigkeiten, die die inhärente Präzision der Maschine selbst erreichen können. Mit einer breiten Anpassungsfähigkeit und einer beträchtlichen Flexibilität sind die Bearbeitungszentren in der Lage, multifunktionale Operationen durchzuführen.
Aufgaben wie die Bogenbearbeitung, das Anfasen und das Verrunden von Übergängen an Teilen sind möglich. Sie ermöglichen das Fräsen, Bohren, Aufbohren und Gewindeschneiden.
Präzise Kostenkalkulationen und die Kontrolle des Produktionsplans werden ebenfalls erleichtert. Der Wegfall spezieller Vorrichtungen spart erhebliche Kosten und verkürzt den Produktionszyklus, während gleichzeitig die Arbeitsintensität für die Mitarbeiter erheblich reduziert wird. Auch die mehrachsige Bearbeitung mit Software wie UG ist möglich.
Das Werkzeugmaterial muss eine Härte aufweisen, die deutlich über der von Titanlegierungen liegt.
Es sollte über eine ausreichende Festigkeit und Zähigkeit verfügen, um den großen Drehmomenten und Schnittkräften bei der Bearbeitung von Titanlegierungen standzuhalten.
Eine hohe Verschleißfestigkeit ist von entscheidender Bedeutung, da Titanlegierungen zäh sind und scharfe Schneidkanten erfordern, um die Kaltverfestigung zu minimieren. Dies ist der wichtigste Parameter bei der Auswahl von Werkzeugen für die Bearbeitung von Titanlegierungen.
Der Werkzeugwerkstoff sollte eine geringe Affinität zu Titanlegierungen aufweisen, um eine Legierungsbildung durch Auflösung und Diffusion zu verhindern, die zum Verkleben und Verbrennen des Werkzeugs führen kann. Tests mit in- und ausländischen Werkstoffen haben gezeigt, dass Werkzeuge mit hohem Kobaltgehalt optimal funktionieren.
Kobalt erhöht die Sekundärhärtung, verbessert die Warmhärte und die Härte nach der Wärmebehandlung und bietet gleichzeitig hohe Zähigkeit, Verschleißfestigkeit und gute Wärmeableitung.
Die einzigartigen Bearbeitungseigenschaften von Titanlegierungen bedeuten, dass sich die geometrischen Parameter der Werkzeuge deutlich von denen der Standardwerkzeuge unterscheiden. Ein kleinerer Schrägungswinkel β wird für eine leichtere Spanabfuhr und eine schnellere Wärmeabfuhr gewählt, was auch den Schnittwiderstand während der Bearbeitung verringert.
Der positive Spanwinkel γ gewährleistet eine scharfe Schneide für leichtes und schnelles Schneiden und verhindert übermäßige Schnitthitze und nachfolgende Kaltverfestigung. Ein kleinerer Freiwinkel α verlangsamt den Werkzeugverschleiß und verbessert die Wärmeableitung und die Lebensdauer des Werkzeugs.
Die Bearbeitung von Titanlegierungen erfordert niedrigere Schnittgeschwindigkeiten, angemessen große Vorschübe, angemessene Schnitttiefen und Schlichtaufmaße bei ausreichender Kühlung. Die Schnittgeschwindigkeit vc=30-50m/min ist optimal, mit größeren Vorschüben für die Schruppbearbeitung und moderaten Vorschüben für das Schlichten und Halbschlichten.
Die Schnitttiefe ap=1/3d ist geeignet; größere Schnitttiefen können aufgrund der guten Affinität und der schwierigen Spanabfuhr von Titanlegierungen zum Verkleben, Verbrennen oder Brechen des Werkzeugs führen.
Ein angemessener Nachbearbeitungszuschlag ist erforderlich, da die Oberflächenhärtung Schicht auf Titanlegierungen beträgt ca. 0,1-0,15 mm; ein zu kleines Aufmaß kann zu Werkzeugverschleiß aufgrund des Schneidens in der gehärteten Schicht führen, aber das Aufmaß sollte nicht zu groß sein, um dieses Problem zu vermeiden.
Bei der Bearbeitung von Titanlegierungen sollten chlorhaltige Kühlmittel vermieden werden, um toxische Substanzen und Wasserstoffversprödungsowie zum Schutz gegen Spannungsrisskorrosion bei hohen Temperaturen.
Synthetische, wasserlösliche Emulsionen werden bevorzugt, oder es kann eine kundenspezifische Kühlmittelmischung verwendet werden. Achten Sie beim Schneiden darauf, dass das Kühlmittel reichlich vorhanden ist und schnell zirkuliert sowie eine hohe Durchflussrate und einen hohen Druck aufweist.
Bearbeitungszentren sind mit speziellen Kühlungsdüsen ausgestattet, die bei richtiger Einstellung den gewünschten Effekt erzielen können.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
DE 
EN 
AR 
ES 
FR 
ID 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO 
TR