Ist Titan eine Superlegierung?
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Moderne Produktionsstandards sind sehr anspruchsvoll. Ingenieure und Designer werden ständig aufgefordert, die Anforderungen der Industrie in Bezug auf Leistung, Langlebigkeit, Nachhaltigkeit und Kostenoptimierung zu erfüllen. Die industrielle Produktion befindet sich in ständiger Weiterentwicklung. Neue Designprinzipien, Produktionsmethoden und Materialien sind für Innovationen unerlässlich.
Einige Branchen können besonders anspruchsvoll sein, beispielsweise die Luft- und Raumfahrtindustrie. Luft- und Raumfahrtprodukte sind während ihrer Lebensdauer extremen Bedingungen ausgesetzt. Herkömmliche Methoden und Materialien reichen nicht aus, um Industriestandards zu erfüllen. Aus diesem Grund verwenden Luft- und Raumfahrtingenieure Materialien wie Superlegierungen.
Was sind Hochtemperaturlegierungen?
Im Wesentlichen handelt es sich bei Superlegierungen um Materialien mit extremen Leistungsstatistiken. Die wichtigsten Eigenschaften von Superlegierungen sind hohe Haltbarkeit, extrem hohe mechanische Festigkeit, Thermoelastizität und lange Lebensdauer. Die wichtigste Eigenschaft von Superlegierungen ist ihre Fähigkeit, bei hohen Schmelztemperaturen zu funktionieren. Alle oben genannten Eigenschaften machen Superlegierungen für die Luft- und Raumfahrtindustrie von entscheidender Bedeutung.
Die ursprüngliche Idee, Materialien zu entwickeln, die für den Einsatz unter extremen Bedingungen geeignet sind, entstand aus dem Wunsch, Flugzeuge zu konstruieren, die uns höher und schneller bringen könnten. Die Entwicklung von Superlegierungen steht in engem Zusammenhang mit der raschen Expansion der Luft- und Raumfahrtindustrie nach dem Zweiten Weltkrieg.
Arten von Hochtemperaturlegierungen
In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden viele Arten von Hochtemperaturlegierungen verwendet. Eine der am häufigsten verwendeten Varianten ist eine Superlegierung auf Titanbasis. Reines Titan hat eine relativ geringe Dichte, hohe Festigkeit und hohe Korrosionsbeständigkeit. Darüber hinaus ist Titan das einzige Element, das mit Stickstoff verbrennt. Titan ist so fest wie Stahl, wiegt aber fast halb so viel. Allein diese Eigenschaften machen es zu einem idealen Material für die Luft- und Raumfahrtindustrie, wo das Verhältnis Gewicht/Festigkeit entscheidend ist. Titan wird in bestimmten Anteilen mit anderen Elementen gemischt, um seine bereits hervorragenden Eigenschaften noch weiter zu verbessern.
Eine der am häufigsten verwendeten Legierungen auf Titanbasis ist die Ti-6Al-4V-Legierung. Es enthält neben Titan auch Aluminium und Vanadium und wird vor allem in Cockpitrahmen, Flügelkästen und Befestigungsstrukturen in Verkehrsflugzeugen verwendet. Die Legierung weist eine gute Ausgewogenheit von Eigenschaften wie Festigkeit, Duktilität, Bruchzähigkeit, Hochtemperaturfestigkeit, Kriecheigenschaften, Schweißbarkeit, Verarbeitbarkeit und Warmumformbarkeit auf. Die Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-Legierung ist eine hitzebeständige Legierung, die in der zweiten Hälfte der 1960er Jahre entwickelt wurde. Seine Hitzebeständigkeitstemperatur beträgt etwa 450 Grad. Diese Legierung wird üblicherweise in Kompressorscheiben verwendet, bei denen 500 Grad die obere Temperaturgrenze ist. Die Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Cr-4Mo-Legierung, manchmal auch „Ti17“-Legierung genannt, ist eine in den Vereinigten Staaten entwickelte Legierung 1970er-Jahre mit hoher Festigkeit und ausgezeichneter Bruchzähigkeit. Seine Hitzebeständigkeitstemperatur beträgt etwa 350 Grad. Bei Triebwerken für Verkehrsflugzeuge sind Lüfter und Welle aus einem Stück gefertigt, um das Triebwerksgewicht zu reduzieren. Die Ti-10V-2Fe-3Al-Legierung weist eine ausgezeichnete Härtbarkeit, hohe Festigkeit und hohe Ermüdungsfestigkeit auf und wird hauptsächlich für Fahrwerke verwendet.
Neben Legierungen auf Titanbasis sind Ferrolegierungen eine weitere Klasse von Legierungen, die häufig in einer Vielzahl von Branchen verwendet werden, darunter in der Luft- und Raumfahrt sowie im Militär. Ferrolegierungen sind im Wesentlichen Legierungen, die hauptsächlich aus Eisen bestehen. Zu den am häufigsten verwendeten Legierungen auf Eisenbasis gehören Edelstahl, Gusseisen und Kohlenstoffstahl. Eisenlegierungen weisen im Allgemeinen eine gute Ausgewogenheit der Eigenschaften auf, einschließlich Hitze- und Korrosionsbeständigkeit, Haltbarkeit, Festigkeit und Thermoelastizität. Obwohl sie nicht die extremen Eigenschaften von Superlegierungen auf Titanbasis oder anderen Hochtemperaturlegierungen aufweisen, sind sie aufgrund ihrer einfachen Synthese und Kosteneffizienz von unschätzbarem Wert.
Eine weitere wichtige Legierungsklasse für die Luft- und Raumfahrt- und Militärindustrie sind Aluminiumlegierungen. Das Verhältnis von Gewicht zu Festigkeit von Rohaluminium ist allein schon beeindruckend. Der Zusatz von Legierungselementen wie Kupfer, Magnesium, Mangan, Silizium, Zinn, Nickel und Zink verbessert diese Eigenschaften und macht Aluminiumlegierungen ideal für Militär- und Luft- und Raumfahrtanwendungen. Die Aluminiumlegierungen der Serie 7xxx werden am häufigsten in Luft- und Raumfahrtanwendungen verwendet. Das Hauptlegierungselement in der 7xxx-Serie ist Zink, was diese Klasse zu den stärksten Aluminiumlegierungen macht. Die Legierungen der 7xxx-Serie haben Streckgrenzen über 500 MPa. Die gebräuchlichsten 7xxx-Legierungen sind Al-Zn-Mg-Cu und Al-Li-Cu-Mg.
