Titan Feinguss verwendet sieben Hauptlegierungstypen, die jeweils für spezifische Anwendungen entwickelt wurden. Die gebräuchlichste ist Ti-6Al-4V (Grad 5), das über 50 % aller Titangussanwendungen ausmacht. Diese Legierungen reichen von handelsüblichem Reintitan für Korrosionsbeständigkeit bis hin zu komplexen Beta-Legierungen für extreme Festigkeitsanforderungen.
Feinguss ermöglicht Herstellern die Herstellung komplexer Titanteile mit dünnen Wänden und präzisen Details. Das Verfahren eignet sich gut für diese speziellen Legierungen, da sie im geschmolzenen Zustand eine gute Fließfähigkeit behalten und mit minimalen Defekten erstarren.
| Legierung | Schlüsselzusammensetzung | UTS (MPa) | YS (MPa) | Dehnung (%) | Härte (HB) |
|---|---|---|---|---|---|
| CP Ti (Grad 2) | Ti ≥ 99.2 % (C≤0.08 %, N≤0.03 %, O≤0.25 %, H≤0.015 %, Fe≤0.30 %) | ≈345 | ≈275 | ≈20 | ~160 (≈46 HRC) |
| Ti-6Al-4V (Klasse 5) | Al 5.5–6.5 %, V 3.5–4.5 %; C≤0.08 %, Fe≤0.25 %, N≤0.05 %, O≤0.2 % | 900-1000 | 828-910 | 10-18 | ≈36 HRC |
| Ti-6Al-4V ELI (Klasse 23) | Wie Klasse 5, aber mit niedrigerem O (≤0.13 %) für mehr Zähigkeit | ≈895–1000 | ≈828–910 | 12-18 | ≈36 HRC |
| Ti-6Al-7Nb (ASTM F1295) | Al 5.5–6.5 %, Nb 6.5–7.5 %; C ≤ 0.08 %, Fe ≤ 0.25 %, O ≤ 0.20 %, N ≤ 0.05 % | ≈900 (≥900) | ≥800 | ≥10 | - |
| Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo | Al 5.5–6.5 %, Sn 1.8–2.2 %, Zr 3.6–4.4 %, Mo 1.8–2.2 %; Fe≤0.25 %, O≤0.15 % | 1110 | 1050 | 13 | 318 HB (34 HRC) |
| Ti-5Al-2.5Sn (Klasse 6) | Al 4–6 %, Sn 2–3 %; Fe ≤ 0.50 %, O ≤ 0.20 %, N ≤ 0.03 % | ≈830 | ≈795 | ≈10 | 320 HB (36 HRC) |
| Beta (15-3-3-3) | V 15 %, Cr 3 %, Al 3 %, Sn 3 %; Rest Ti | 790 | 770 | 22 | HRB 95 |
Handelsübliches Reintitan Grad 2 enthält 99.2 % Titan mit geringen Mengen Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff. Diese Legierung bietet die beste Korrosionsbeständigkeit aller Titansorten.
CP Ti Grade 2 eignet sich hervorragend für chemische Verarbeitungsanlagen und Schiffsanwendungen. Aufgrund seiner im Vergleich zu anderen Güten geringeren Festigkeit ist es ideal, wenn Duktilität und Formbarkeit wichtiger sind als mechanische Eigenschaften.
Die Gusstemperatur für Grad 2 liegt zwischen 1,670 °C und 1,720 °C. Feingießer müssen spezielle Keramikformen verwenden, die diesen extremen Temperaturen standhalten, ohne mit dem Titan zu reagieren.
Ti-6Al-4V ist das Arbeitspferd unter den Titanlegierungen. Es enthält 6 % Aluminium und 4 % Vanadium und bietet so ein hervorragendes Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Gewicht und Korrosionsbeständigkeit.
Diese Alpha-Beta-Legierung behält ihre Festigkeit bis 400 °C. Hersteller in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwenden sie für Turbinenschaufeln, Strukturkomponenten und Fahrwerksteile.
Die Vielseitigkeit der Legierung geht über die Luft- und Raumfahrt hinaus. Medizintechnikunternehmen gießen Hüftimplantate und Dentalkomponenten aus Grade 5. Ihre Biokompatibilität und Ermüdungsbeständigkeit machen sie ideal für Langzeitimplantationen.
Feinguss der Güteklasse 5 erfordert eine präzise Temperaturkontrolle. Die Gießtemperatur liegt typischerweise zwischen 1,700 °C und 1,750 °C. Eine geeignete Formkonstruktion verhindert Heißrisse während der Erstarrung.
Extra Low Interstitial (ELI) Grade 23 bietet im Vergleich zum Standard Grade 5 eine verbesserte Duktilität und Bruchzähigkeit. Der reduzierte Sauerstoffgehalt (maximal 0.13 % gegenüber 0.20 %) führt zu diesen verbesserten Eigenschaften.
In der Klasse 23 wird vor allem in medizinischen Anwendungen eingesetzt. Wirbelsäulenfusionskäfige, Knochenschrauben und Herz-Kreislauf-Geräte profitieren von seiner überlegenen Ermüdungsbeständigkeit in Körperflüssigkeiten.
Der Gießprozess für Güteklasse 23 erfordert strengere Kontrollen. Gießereien müssen die Kontamination durch Sauerstoff und Stickstoff während des Schmelzens und Gießens minimieren. Vakuum- oder Argonatmosphären schützen das geschmolzene Metall.
Ti-6Al-7Nb ersetzt Vanadium durch Niob, um Bedenken hinsichtlich der Freisetzung von Vanadiumionen im menschlichen Körper auszuräumen. Diese Legierung entspricht den mechanischen Eigenschaften von Grade 5 und bietet gleichzeitig eine hervorragende Biokompatibilität.
Europäische Hersteller medizinischer Geräte bevorzugen diese Legierung für permanente Implantate. Ihre Korrosionsbeständigkeit in physiologischen Lösungen übertrifft die von Ti-6Al-4V.
Für den Feinguss von Ti-6Al-7Nb sind ähnliche Parameter wie bei Grad 5 erforderlich. Durch die Zugabe von Niob wird der Schmelzpunkt leicht erhöht, sodass für einen optimalen Fluss Temperaturen von etwa 1,720 °C bis 1,770 °C erforderlich sind.
Diese Nah-Alpha-Legierung behält ihre Festigkeit bei Temperaturen bis zu 500 °C. Die Zinn- und Zirkoniumzusätze sorgen für eine Mischkristallverfestigung, während Molybdän die Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen verbessert.
Hersteller von Strahltriebwerken verwenden diese Legierung für Kompressorscheiben und -schaufeln. Ihre überlegene Kriechfestigkeit ermöglicht dünnere Profile und reduziert so das Gewicht der Komponenten.
Die komplexe Chemie erfordert eine präzise Legierungskontrolle beim Schmelzen. Feingießer verwenden typischerweise Vakuum-Lichtbogenschmelzen, um die chemische Homogenität zu gewährleisten. Die Gießtemperaturen liegen zwischen 1,750 °C und 1,800 °C.
Grad 6 bietet eine mittlere Festigkeit zwischen CP-Titan und Ti-6Al-4V. Der Zinnzusatz sorgt für eine Mischkristallverfestigung ohne Bildung spröder Phasen.
Diese Legierung zeichnet sich durch ihre kryogene Leistung bei niedrigen Temperaturen aus. Luft- und Raumfahrtunternehmen verwenden sie für Flüssigtreibstofftanks und kryogene Rohrleitungssysteme. Ihre Schweißbarkeit übertrifft die von Titanlegierungen mit höherer Festigkeit.
Feinguss der Güteklasse 6 ist weniger anspruchsvoll als komplexere Legierungen. Das Fehlen von Beta-stabilisierenden Elementen reduziert die Entmischung während der Erstarrung. Typische Gießtemperaturen liegen zwischen 1,680 °C und 1,730 °C.
Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn stellt eine metastabile Beta-Legierung mit außergewöhnlicher Kaltumformbarkeit dar. Nach Lösungsglühen und Alterung erreicht sie Festigkeiten von über 1,400 MPa.
Diese Legierung wird in Federn, Befestigungselementen und Blechteilen verwendet. Feinguss ermöglicht die Herstellung komplexer Federgehäuse und spezieller Befestigungselemente, die nicht maschinell hergestellt werden können.
Beta-Titanlegierungen stellen besondere Herausforderungen an die Gussqualität dar. Ihr hoher Beta-Stabilisator-Gehalt fördert die Entmischung während der Erstarrung. Um gleichmäßige Eigenschaften zu erzielen, müssen Gießer Schnellerstarrungstechniken und anschließende Wärmebehandlungen anwenden.
Die Gießtemperatur für 15-3-3-3 liegt typischerweise zwischen 1,650 °C und 1,700 °C und ist aufgrund der Wirkung der Beta-Stabilisatoren auf den Schmelzpunkt niedriger als bei Alpha-Beta-Legierungen.
