Titanlegierungen in der Luftfahrt

Der Luftverkehr ist zu einem integralen Bestandteil unseres täglichen Lebens geworden – sei es durch Logistik im Luftfrachtverkehr oder durch Reisen mit dem Flugzeug. Wenn wir zum Himmel aufschauen und Flugzeuge über uns hinwegziehen sehen, stellt sich uns ganz natürlich die Frage: aus welchen Materialien werden Flugzeuge gefertigt, die derart massive Lasten tragen und in großer Höhe betrieben werden können?
Werfen wir einen Blick auf die Materialien, die diese bemerkenswerte Leistungsfähigkeit ermöglichen.

Überblick über Titan

1948 gelang DuPont mit dem Magnesium-Reduktionsverfahren erstmals die industrielle Herstellung von Schwammtitan – ein Meilenstein in der Geschichte der Titanwerkstoffe. Seitdem werden Titanlegierungen aufgrund ihrer hervorragenden physikalischen Eigenschaften breit in verschiedenen Industrien eingesetzt, darunter hohe spezifische Festigkeit, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und überlegene Hitzebeständigkeit .

Bemerkenswerterweise ist Titan ein weit verbreitetes Element in der Erdkruste und nimmt insgesamt den neunten Platz hinsichtlich seiner Häufigkeit ein , was deutlich über der Häufigkeit häufig verwendeter Metalle wie Kupfer, Zink und Zinn liegt. Es ist in vielen Gesteinsarten weit verbreitet, insbesondere in Sanden und Tonen, wo die Reserven besonders groß sind.

Eigenschaften von Titan

Titan weist eine Reihe außergewöhnlicher Eigenschaften auf, darunter hohe Festigkeit, hohe Warmfestigkeit, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, hervorragendes Verhalten bei tiefen Temperaturen sowie hohe chemische Reaktivität .

Insbesondere übertrifft die Festigkeit von Titan deutlich diejenige von Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegierungen und rostfreien Stählen und macht es damit zu einem der hervorragendsten Konstruktionsmetalle. Titanlegierungen weisen zudem eine außergewöhnlich gute Hochtemperaturfestigkeit auf, wobei ihre Betriebstemperaturen deutlich höher liegen als die von Aluminiumlegierungen, und sie können ihre Leistungsfähigkeit langfristig bei 450–500 °C .

Darüber hinaus zeigt Titan eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber Säuren, Laugen und atmosphärischer Korrosion, insbesondere eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen spaltkorrosion und Spannungsrisskorrosion . Bei tiefen Temperaturen behalten Titanlegierungen wie TA7 auch bei Temperaturen bis hin zu –253 °C .

Jedoch eine gute Duktilität und mechanische Eigenschaften. Titan weist jedoch bei erhöhten Temperaturen eine hohe chemische Reaktivität auf und kann leicht mit Gasen wie Wasserstoff und Sauerstoff aus der Luft reagieren, wodurch sich gehärtete Oberflächenschichten bilden. Ferner besitzen Titanlegierungen eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit – etwa ein Viertel dessen von Nickel, ein Fünftel dessen von Eisen und ein Vierzehntel dessen von Aluminium —während ihr Elastizitätsmodul etwa die Hälfte dessen von Stahl beträgt . Diese Eigenschaften machen Titan für zahlreiche anspruchsvolle technische Anwendungen unverzichtbar.

Klassifizierung und Anwendungen von Titanlegierungen

Titanlegierungen können nach ihren Anwendungsbereichen eingeteilt werden in hitzebeständige Legierungen, hochfeste Legierungen, korrosionsbeständige Legierungen (z. B. Ti-Mo- und Ti-Pd-Legierungen), tieftemperaturlegierungen , und spezielle funktionelle Legierungen , einschließlich Titan-Eisen-Wasserstoffspeichermaterialien und Titan-Nickel-Formgedächtnislegierungen.

Obwohl die Einsatzgeschichte von Titanlegierungen vergleichsweise kurz ist, haben ihre herausragenden Eigenschaften ihnen zahlreiche Auszeichnungen eingebracht, darunter der Titel „Weltraummetall“. Diese Bezeichnung leitet sich von ihrem geringen Gewicht, ihrer hohen Festigkeit und ihrer ausgezeichneten Hochtemperaturbeständigkeit ab, wodurch sie sich ideal als Werkstoffe für Flugzeuge und Raumfahrzeuge eignen.

Derzeit werden etwa drei Viertel der weltweiten Titan- und Titanlegierungsproduktion im Luft- und Raumfahrtsektor eingesetzt , wobei viele Komponenten, die früher aus Aluminiumlegierungen hergestellt wurden, nun durch Titanlegierungen ersetzt werden.

Luftfahrtanwendungen

Titanlegierungen sind Schlüsselwerkstoffe bei der Herstellung von Flugzeugen und Triebwerken. Sie werden breit eingesetzt in geschmiedeten Lüfterkomponenten, Verdichterscheiben und -schaufeln, Triebwerksgehäusen sowie Abgassystemen , sowie strukturelle Komponenten wie rahmen und Schotten .

In Luft- und Raumfahrtanwendungen machen die hohe spezifische Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Leistung bei tiefen Temperaturen von Titanlegierungen diese ideal für druckbehälter, Treibstofftanks, Verbindungselemente, Instrumentenhalterungen, Strukturrahmen und Raketenmantel . Titanlegierungs-Blechschweißkonstruktionen werden umfangreich eingesetzt in künstlichen Satelliten, Mondmodulen, bemannten Raumfahrzeugen und Raumtransportern .

Im Jahr 1950 wandte die Vereinigte Staaten Titanlegierungen erstmals beim Jagdbomber F-84 an, wobei sie für nicht tragende Komponenten wie Hitzeschilde am hinteren Rumpf, Luftkanäle und Heckverkleidungen verwendet wurden. Ab den 1960er-Jahren dehnten sich Titanlegierungen von Anwendungen im hinteren Rumpfbereich auf den mittleren Rumpfbereich aus und ersetzten teilweise Baustahl in schotten, Trägern und Klappenführungen .

In den 1970er-Jahren stieg der Titanverbrauch mit der Massenproduktion ziviler Flugzeuge wie der Boeing 747 stark an. Allein die Boeing 747 enthielt mehr als 3.640 kg Titan , was etwa 28 % des strukturellen Gewichts des Flugzeugs entsprach. Titanlegierungen fanden zudem breite Anwendung in Raketen, Satelliten und Raumfahrzeugen.

Zerspanungseigenschaften von Titanlegierungen

Erstens weisen Titanlegierungen eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit auf – nur etwa ein Viertel derjenigen von Stahl, ein Dreizehntel derjenigen von Aluminium und ein Fünfundzwanzigstel derjenigen von Kupfer während der Bearbeitung ist die Wärmeableitung und Kühlung daher ineffizient, was zu hohen Temperaturen, die sich im Schnittbereich konzentrieren führt. Dies kann zu Werkstückverformungen und elastischer Rückstellung führen, das Schnittmoment erhöhen, den Verschleiß der Schneidkante beschleunigen und die Standzeit des Werkzeugs erheblich verkürzen.

Zweitens steigt aufgrund der Konzentration der Schnittwärme in der Nähe der Schneidkante und deren langsamen Abfuhr die Reibung an der Spanfläche, wodurch die Spanabfuhr erschwert und der Werkzeugverschleiß weiter beschleunigt wird.

Schließlich nimmt bei erhöhten Temperaturen die chemische Aktivität von Titanlegierungen deutlich zu. Sie neigen dazu, mit Werkzeugmaterialien zu reagieren, was zu adhäsion, Diffusion und Aufbauschneidenbildung führt. Diese Phänomene können zu Werkzeuganhaftung, -verbrennung oder -bruch führen und beeinträchtigen die Bearbeitungsqualität und -effizienz erheblich.

Vorteile von Bearbeitungszentren

Fräszentren können mehrere Komponenten gleichzeitig bearbeiten und steigern dadurch die Produktionseffizienz erheblich. Ihre hohe Präzision gewährleistet eine ausgezeichnete Produktkonsistenz, und durch Werkzeugkompensationsfunktionen kann die inhärente Genauigkeit der Werkzeugmaschine vollständig ausgenutzt werden.

Fräszentren bieten außerdem eine starke Anpassungsfähigkeit und Flexibilität , wodurch sie problemlos Bogenbearbeitungen, Fasenfräsungen und Abrundungsübergänge bewältigen können. Beeindruckender noch ist ihre Unterstützung für multifunktionale Operationen , darunter Fräsen, Bohren, Senken und Gewindeschneiden – alles an einer einzigen Maschine.

Aus Sicht der Kostenkontrolle ermöglichen Fräszentren eine genaue Kostenrechnung und Terminplanung der Produktion, entfallen spezielle Spannvorrichtungen, senken die Gesamtkosten und verkürzen die Produktionszyklen. Zudem verringern sie die körperliche Belastung der Mitarbeiter erheblich und können nahtlos mit CAM-Software wie UG (NX) zur Durchführung einer Mehrachsen-Bearbeitung.

Auswahl von Schneidwerkzeugen und Kühlschmierstoffen

Die Auswahl geeigneter Schneidwerkzeuge und Kühlschmierstoffe ist entscheidend bei der Bearbeitung von Titanlegierungen. Die Werkstoffe der Werkzeuge müssen hochwertige Härte und Verschleißfestigkeit um eine effiziente Materialabtragung sicherzustellen. Die Wahl des Kühlschmierstoffs beeinflusst direkt die Bearbeitungsqualität und -effizienz – geeignete Kühlschmierstoffe verringern Reibung und Schnittwärme, verlängern die Werkzeuglebensdauer und verbessern die Bearbeitungsgenauigkeit.

1. Anforderungen an das Werkzeugmaterial

• Die Härte des Werkzeugs muss deutlich höher sein als die von Titanlegierungen, um ein wirksames Schneiden zu ermöglichen.
• Die Werkzeuge müssen über ausreichende Festigkeit und Zähigkeit verfügen, um hohen Drehmomenten und Schnittkräften standzuhalten.
• Aufgrund der hohen Zähigkeit von Titanlegierungen muss die Schneide stets scharf bleiben; daher ist eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit erforderlich, um die Verfestigung des Werkstücks während der Bearbeitung zu minimieren.

2. Auswahl der Geometrie von Fräsern

Aufgrund der besonderen Bearbeitungseigenschaften von Titanlegierungen unterscheidet sich die Geometrie von Fräsern erheblich von der konventioneller Werkzeuge.
A kleinerer Steigungswinkel (β) wird empfohlen, um das Fräsergewindevolumen zu erhöhen, die Spanabfuhr zu verbessern und die Wärmeableitung zu optimieren.

3. Auswahl der Schnittparameter

Bei der Bearbeitung von Titanlegierungen niedrigere Schnittgeschwindigkeiten sollten verwendet werden, kombiniert mit geeigneten Vorschubgeschwindigkeiten, vernünftigen Schnitttiefen und kontrollierten Fertigmaßen.

4. Auswahl und Anwendung von Kühlschmierstoffen

Kühlschmierstoffe, die Chlor enthalten, sollten vermieden werden, um die Bildung giftiger Substanzen und Wasserstoffversprödung zu verhindern sowie das Risiko einer spannungsbedingten Korrosionsrissbildung bei erhöhten Temperaturen zu reduzieren.
Es wird empfohlen, synthetische wassermischbare Emulsionen oder speziell formulierte Kühlmittel, die für die Bearbeitung von Titanlegierungen geeignet sind.