In diesem Kapitel werden Empfehlungen ausgewählter Titanwerkstoffe für den Einsatz in der Meerestechnik in Anlehnung an Materialeigenschaften und Wirtschaft-lichkeit zum derzeitigen Stand der Technik gegeben. Bei den aufgeführten Material-kennwerten ist jedoch zu beachten, dass diese als Mindestwerte aus den jeweiligen Normen entnommen worden sind. Die tatsächlichen Kennwerte sind deshalb beim jeweiligen Materiallieferanten in Abhängigkeit des technischen Lieferzustands zu erfragen.
6.1 Reintitan Ti1 - Ti4
Die Werkstoffe Ti1, Ti2, Ti3 und Ti4 werden ohne Legierungszusätze hergestellt, besitzen demnach ausschließlich ein hexagonales α-Gefüge und unterscheiden sich hauptsächlich durch den Gehalt an eingelagertem Sauerstoff. Sie besitzen eine ausgezeichnete Verfügbarkeit, besonders die Werkstoffe Ti1 und Ti2 sind in sämtlichen Lieferformen (Blech, Rohr, Stab, u.s.w.) standardisiert. Aufgrund der geringen Festigkeiten der Reintitanwerkstoffe ist die Anwendung jedoch auf Komponenten mit geringer Belastung beschränkt. Ein weiterer deutlicher Vorteil dieser Werkstoffklasse ist die ausgezeichnete Verarbeitbarkeit, basierend auf der hohen Duktilität des Reintitans.
Tabelle 4 - Werkstoffübersicht Ti1-Ti4
Werkstoff Norm Festigkeiten gem.
ASM SB 265 Umformbarkeit Schweißbarkeit Ti1 DIN 17850-3.7025
ASM SB265-grade 1
Ti1 Pd
Ti2 DIN 17850-3.7035 ASM SB265-grade 2
Ti2Pd
Ti3 DIN 17850-3.7055 ASM SB265-grade 3 Ti3Pd DIN 17850-3.7255
Rp0,2 = 380N/mm2 Rm = 450N/mm2
A5 = 18%
sehr gut ausgezeichnet
Ti4 DIN 17850-3.7065 ASM SB265-grade 4
Rp0,2 = 483N/mm2 Rm = 550 N/mm2
A5 = 15%
gut ausgezeichnet
Für Anwendung in besonders korrosionsempfindlichen Komponenten ist die Verwendung von Palladium- oder Ruthenium-Legierungen empfehlenswert, da diese eine höhere Korrosionsbeständigkeit aufweisen.
6.2 Legierung TiAl6V4
Der Werkstoff TiAl6V4 ist eine der ältesten α+β-Titanlegierungen und zeichnet sich vor allem durch die hohen Festigkeiten und der ausgezeichneten Verfügbarkeit aus, ähnlich wie die Reintitanwerkstoffe. Allerdings ist die Verarbeitung dieses Werkstoffs aufgrund der relativ geringen Duktilität deutlich schwieriger, so dass Umformverfah-ren nur unter hohen TemperatuUmformverfah-ren durchgeführt werden können. Dennoch bildet dieser Werkstoff, aufgrund der guten Verfügbarkeit die Standardlegierung vor allem in Luftfahrt und Maschinenbau. Bei hoch belasteten, im Seewasser befindlichen Komponenten, ist wegen der Spannungskorrosionsempfindlichkeit der TiAl6V4-Legierung, deren ELI-Version („extra low interstitials“) zu bevorzugen. Für extrem korrosionsempfindliche Bauteile sind weiterhin die Palladium oder Ruthenium als zusätzliche Legierungselemente möglich.
Tabelle 5 - Werkstoffübersicht TiAl6V4
Werkstoff Norm Festigkeiten gem.
ASM SB 265 Umformbarkeit Schweißbarkeit
TiAl6V4 DIN 17852-3.7165 ASM SB265-grade 5
Rp0,2 = 828N/mm2
Aufgrund der relativ schwierigen Zerspanung werden derzeit Legierungszusätze wie beispielsweise Seltenerden untersucht, die das Spanverhalten deutlich verbessern.
Eine vielversprechende Entwicklung bildet dabei das Forschungsprojekt der TU Braunschweig am Institut für Werkstoffe, bei dem mittels Hinzulegierung von Lanthan ein kurz brechender Span erzeugt und somit die Zerspanungsleistung deutlich erhöht werden kann (siehe auch [P19]).
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Abbildung 15 - TiAl6V4 mit Lanthan [P19]
Die Abbildung zeigt die Einlagerung von Lanthan an den Korngrenzen der Titanlegie-rung. Diese Elemente bewirken dabei eine Herabsetzung der Duktilität bei annä-hernd gleich bleibenden Festigkeitseigenschaften. Außerdem wird die Spanlänge beim spanabhebenden Verfahren deutlich reduziert und somit die Standzeit der Werkzeuge wesentlich erhöht.
6.3 Legierung TiAl3V2,5
Diese α+β-Legierung wird durch ihre chemische Zusammensetzung auch als „half 6-4“ bezeichnet und bildet den Kompromiss zwischen den guten Verarbeitungsmög-lichkeiten der Reintitanwerkstoffe und den hohen Festigkeiten der Legierung TiAl6V4. Vorwiegend wird er im Bereich der Rohrleitungen im Flugzeugbau einge-setzt und besitzt eine gute Verfügbarkeit.
Tabelle 6 - Werkstoffübersicht TiAl3V2,5
Werkstoff Norm Festigkeiten gem.
ASM SB 265 Umformbarkeit Schweißbarkeit
TiAl3V2,5 DIN 17852-3.7195 ASM SB265-grade 9
Rp0,2 = 483N/mm2 Rm = 620N/mm2
A5 = 15%
gut sehr gut
TiAl3V2,5-Pd ASM SB265-grade 18
Rp0,2 = 483N/mm2 Rm = 620N/mm2
A5 = 15%
gut sehr gut
TiAl3V2,5-Ru ASM SB265-grade 28
Rp0,2 = 759N/mm2 Rm = 828N/mm2
A5 = 10%
gut sehr gut
Aufgrund der hohen Festigkeiten, der relativ hohen Bruchdehnung und der guten Verfügbarkeit besitzt dieser Werkstoff ebenfalls ein enormes Potential für mögliche Anwendungen in der Meerestechnik.
6.4 Legierung TiCu2,5
Diese relativ unbekannte und somit als Sonderwerkstoff zu betrachtende Legierung TiCu2,5 ist ebenfalls durch eine α+β-Gefüge gekennzeichnet und kombiniert (wie die Legierung TiAl3V2,5) eine hohe Festigkeit mit einer guten Umformbarkeit. Jedoch ist die Verfügbarkeit dieses Werkstoffs im Vergleich zur TiAl3V2,5 eher gering.
Tabelle 7 - Werkstoffübersicht TiCu2,5
Werkstoff Norm Festigkeiten [P23] Umformbarkeit Schweißbarkeit
TiCu2,5 ---
Rp0,2 = 460N/mm2 Rm = 540N/mm2
A5 = 18%
gut nicht ausreichend bekannt
Die Schweißbarkeit dieser Legierung ist nicht ausreichend bekannt. In [P23] wird zwar erwähnt, dass Schmelzschweißverfahren möglich sind, es wurde jedoch keine qualitative Aussage über die Schweißbarkeit getroffen. Somit sind vor Anwendung dieser Legierung in geschweißten Komponenten vorab Versuchsreihen notwendig.
6.5 Legierung TiAl5Sn2,5
Diese α+β-Legierung zeichnet sich vor allem durch die gute Stabilität und die geringe Oxidation bei hohen Temperaturen von bis zu 500°C aus und besitzt eine gute Verfügbarkeit auch als Schmiede- oder Gussteile.
Tabelle 8 - Werkstoffübersicht TiAl5Sn2,5
Werkstoff Norm Festigkeiten gem.
ASM SB 265 Umformbarkeit Schweißbarkeit
TiAl5Sn2,5 DIN 17852-3.7115 ASM SB265-grade 6
Rp0,2 = 793N/mm2
Der Werkstoff TiAl5Sn2,5 ist ebenfalls eine der ersten kommerziellen Legierungen und wurde aufgrund der geringeren Verfügbarkeit in vielen Anwendungen mit
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TiAl6V4 ersetzt. Allerdings ist auch bei diesem Werkstoff die relativ hohe Anfälligkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion zu beachten.
6.6 Legierung TiV15Cr3Al3Sn3
Diese β-Legierung ist im Vergleich zu den anderen aufgeführten Werkstoffen als Exot zu bezeichnen und wegen der hohen Legierungsanteile deutlich kostenintensi-ver (Faktor >2). Aufgrund der hervorragenden mechanischen Eigenschaften und der guten Umformbarkeit ist dieser Werkstoff vor allem für Sonderanwendungen sehr interessant.
Tabelle 9 - Werkstoffübersicht TiV15Cr3Al3Sn3
Werkstoff Norm Festigkeiten [P23] Umformbarkeit Schweißbarkeit
TiV15Cr3Al3Sn3 ---
Rp0,2 = 986N/mm2 Rm = 993N/mm2
A5 = 22,5%
gut mäßig
6.7 Legierung TiAl4,5V3Mo2Fe2 (SP700)
Die unter der Abkürzung SP700 bekannte β-Legierung verfügt über eine feine Mikrostruktur und weist sowohl eine ausgezeichnete Umformbarkeit als auch sehr hohe Festigkeiten bei relativ hoher Bruchdehnung auf (vergleiche Legierung TiV15Cr3Al3Sn3).
Tabelle 10 - Werkstoffübersicht TiAl4,5V3Mo2Fe2
Werkstoff Norm Festigkeiten [P23] Umformbarkeit Schweißbarkeit
TiAl4,5V3Mo2Fe2 ---
Rp0,2 = 972N/mm2 Rm = 1023N/mm2
A5 = 19%
gut mäßig
Dieser Werkstoff ist jedoch nur eingeschränkt verfügbar und somit ausschließlich für Sonderanwendungen empfehlenswert.