Geeignete kommerziell reine Titanqualitäten für Umgebungen mit mittleren-bis-hohen und niedrigen-Temperaturen
1. CP-Titansorten für Szenarien mittlerer-bis-hoher Temperaturen
Erhalt der Zug- und Dauerfestigkeit
Widerstand gegen Kriechverformung (langsames plastisches Fließen unter Dauerlast)
Mikrostrukturelle Stabilität (keine Phasenumwandlung oder Entmischung von Verunreinigungen)
Oxidationsbeständigkeit (minimierte Bildung spröder TiO₂-Ablagerungen)
1.1 Optimale Notenauswahl: Note 2 und Note 4
1.1.1 Kernvorteile der Klassen 2 und 4
Festigkeitserhalt bei erhöhten Temperaturen: Die interstitiellen Verunreinigungen (Sauerstoff und Stickstoff) in Grad 2 und Grad 4 bilden eine stabile feste Lösung im -Titangitter, die einer Gittererweichung bei 200–300 Grad widersteht. Bei 300 Grad behält Güteklasse 4 etwa 70 % ihrer Raumtemperatur-Zugfestigkeit (UTS, etwa 485 MPa bei Raumtemperatur gegenüber etwa 340 MPa bei 300 Grad), während Güteklasse 1 (geringer Sauerstoffgehalt, 0,18 Gew.-% O) nur etwa 55 % ihrer Raumtemperatur-UTS beibehält (etwa 345 MPa bei Raumtemperatur gegenüber etwa 190 MPa). 300 Grad).
Kriechfestigkeit: Kriechen ist ein kritischer Versagensmodus für Materialien unter anhaltender Belastung bei erhöhten Temperaturen. Der höhere Sauerstoffgehalt der Klasse 4 erhöht die Gitterreibung, verlangsamt die Versetzungsbewegung und verringert die Kriechspannung. Bei 350 Grad und einer Spannung von 150 MPa beträgt die Kriechdehnung von Klasse 4 nach 1000 Stunden ~0,2 %, verglichen mit ~0,8 % für Klasse 1 unter den gleichen Bedingungen.
Oxidationsbeständigkeit: Sowohl Grad 2 als auch Grad 4 bilden bei 200–400 Grad eine dichte, anhaftende TiO₂-Oxidschicht, die als Barriere gegen weiteres Eindringen von Sauerstoff fungiert. Der etwas höhere Verunreinigungsgehalt von Grad 4 beeinträchtigt die Integrität der Oxidschicht nicht, wohingegen bei Graden mit extrem niedrigen Verunreinigungsgraden (z. B. Grad 1) aufgrund der geringeren Gitterstabilität poröse Oxide entstehen können.
1.1.2 Spezialklasse für korrosive Umgebungen mit hohen-Temperaturen: Klasse 7 (Ti-0,12Pd)
Verbessert die Korrosionsbeständigkeit in reduzierenden Säuren (z. B. HCl) bei erhöhten Temperaturen
Verhindert lokale Korrosion (Lochfraß und Spaltkorrosion), die durch hohe Temperaturen beschleunigt werden kann
Behält die mikrostrukturelle Stabilität bis zu 350 Grad bei, ohne spröde intermetallische Phasen zu bilden
1.1.3 Anwendungsfälle
Chemische Verarbeitung: Klasse 2 wird für Wärmetauscherrohre verwendet, die bei 200–250 Grad betrieben werden, während Klasse 4 für Reaktorbehälterkomponenten bei 300–400 Grad eingesetzt wird.
Hilfssysteme für die Luft- und Raumfahrt: Güteklasse 4 wird aufgrund seiner Kriechfestigkeit und Festigkeitsbeständigkeit für Hydraulikleitungen in Flugzeugtriebwerksgondeln (Betrieb bei 250–300 Grad) verwendet.
Entsalzungsanlagen: Güteklasse 7 wird für Hochtemperatur-Soleerhitzer (250–300 Grad) verwendet, um Chloridkorrosion und thermischer Ermüdung zu widerstehen.
1.2 Zu vermeidende Klassen bei mittleren-bis-hohen Temperaturen
Klasse 1: Sein extrem niedriger Sauerstoffgehalt führt zu einer schlechten Festigkeitserhaltung und Kriechfestigkeit über 250 Grad, wodurch es für lasttragende Komponenten bei erhöhten Temperaturen ungeeignet ist.
Klasse 3: Während seine Leistung zwischen Grad 2 und Grad 4 liegt, bietet es keinen wesentlichen Vorteil gegenüber Grad 2 (geringere Kosten) oder Grad 4 (höhere Festigkeit), was zu einer eingeschränkten Verwendung bei Anwendungen bei mittleren bis hohen Temperaturen führt.
2. CP-Titansorten mit überlegener Zähigkeit für Umgebungen mit niedrigen Temperaturen
2.1 Optimale Sortenauswahl: Klasse 1 und Klasse 2 (Klasse 1 wird für extrem niedrige Temperaturen bevorzugt)
2.1.1 Kernvorteile der Klasse 1 für kryogene Bedingungen
Außergewöhnliche Duktilität bei niedrigen Temperaturen: Bei -196 Grad (Temperatur von flüssigem Stickstoff) behält Grad 1 ~80 % seiner Dehnung bei Raumtemperatur (24–28 % bei Raumtemperatur vs. . 20–22 % bei -196 Grad) und ~75 % seiner Flächenverkleinerung (30–35 % bei Raumtemperatur vs. . 25–28 % bei -196 Grad). Im Gegensatz dazu kommt es bei Grad 4 (hoher Sauerstoffgehalt) zu einem Rückgang der Dehnung um 40 % bei -196 Grad (von 15 % bei Raumtemperatur auf 9 % bei -196 Grad).
Hohe Bruchzähigkeit: Die Bruchzähigkeit (KIC) ist eine entscheidende Kennzahl für kryogene Materialien. Klasse 1 hat einen KIC von ~60 MPa·m¹/² bei -196 Grad, während der KIC von Klasse 4 bei derselben Temperatur auf ~35 MPa·m¹/² sinkt. Der niedrige Gehalt an interstitiellen Verunreinigungen in Grad 1 reduziert die Gitterverzerrung und verhindert die Bildung spröder Ausscheidungen, wodurch eine plastische Verformung vor dem Bruch ermöglicht wird.
Beständigkeit gegen Ermüdung bei niedrigen-Temperaturen: Bei -100 Grad beträgt die Ermüdungsgrenze der Klasse 1 (10⁷ Zyklen) ~170 MPa, nur 5 % niedriger als die Ermüdungsgrenze bei Raumtemperatur (~180 MPa). Im Vergleich dazu sinkt die Ermüdungsgrenze bei Klasse 4 bei -100 Grad um 15 % (von 150 MPa bei Raumtemperatur auf 127 MPa bei -100 Grad), was auf die erhöhte Sprödigkeit zurückzuführen ist.
2.1.2 Gründe für die Vermeidung hoher-Verunreinigungsgrade (Grad 3 und Grad 4)
Ein hoher Sauerstoff-/Stickstoffgehalt in Grad 3 und Grad 4 erhöht die Gitterhärte und verringert die Versetzungsbeweglichkeit bei niedrigen Temperaturen, was zu einem Übergang vom duktilen zum spröden Bruch führt.
Bei Temperaturen unter -100 Grad können diese Qualitäten örtlich spröde Zonen an den Korngrenzen bilden, in denen sich interstitielle Verunreinigungen ablagern und bei Stößen oder zyklischer Belastung einen plötzlichen Bruch auslösen.
2.1.3 Anwendungsfälle
Systeme für verflüssigtes Erdgas (LNG).: Güteklasse 1 wird aufgrund seiner hohen Zähigkeit und Beständigkeit gegen kryogene Ermüdung für LNG-Lagertankauskleidungen und Transferleitungen (Betrieb bei -162 Grad) verwendet.
Kryomedizinische Geräte: Klasse 2 wird für Flüssigstickstoff-/Gefrierkomponenten in medizinischen Bildgebungsgeräten (Betrieb bei -80 Grad bis -196 Grad) eingesetzt, um ein Gleichgewicht zwischen Zähigkeit und mäßiger Festigkeit zu gewährleisten.
Kryo-Kraftstoffsysteme für die Luft- und Raumfahrt: Klasse 1 wird für Flüssigwasserstoff-Brennstoffleitungen (Betrieb bei -253 Grad) verwendet, um Sprödbruch bei extremer Kälte- und Vibrationsbelastung zu verhindern.
