Eigenschaften und Eigenschaften von Titan- und Titanlegierungsmaterialien

Titan und Titanlegierungen verfügen über viele hervorragende Eigenschaften, die sich vor allem in den folgenden Aspekten widerspiegeln:
1. Hohe Festigkeit. Titanlegierungen haben eine hohe Festigkeit, ihre Zugfestigkeit beträgt 686-1176MPa und ihre Dichte beträgt nur etwa 60 % der von Stahl, sodass ihre spezifische Festigkeit sehr hoch ist.
2. Hohe Härte. Die Härte HRC einer Titanlegierung (geglühter Zustand) beträgt 32-38.
3. Niedriger Elastizitätsmodul. Der Elastizitätsmodul einer Titanlegierung (geglühter Zustand) beträgt 1,078×10-1,176×10 MPa, was etwa der Hälfte des Elastizitätsmoduls von Stahl und Edelstahl entspricht.
4. Hervorragende Leistung bei hohen und niedrigen Temperaturen. Bei hohen Temperaturen können Titanlegierungen immer noch gute mechanische Eigenschaften beibehalten, ihre Hitzebeständigkeit ist viel höher als die von Aluminiumlegierungen und ihr Einsatztemperaturbereich ist breit. Derzeit kann die Arbeitstemperatur neuer hitzebeständiger Titanlegierungen 550-600 Grad erreichen; Bei niedrigen Temperaturen ist die Festigkeit von Titanlegierungen im Vergleich zu normalen Temperaturen verbessert und sie weisen eine gute Zähigkeit auf. Tieftemperatur-Titanlegierungen können bei einem Grad von -253 immer noch eine gute Zähigkeit beibehalten.

5. Titan weist eine starke Korrosionsbeständigkeit auf. In Luft unter 550 Grad bildet sich schnell ein dünner und dichter Oxidfilm auf der Titanoberfläche. Daher ist seine Korrosionsbeständigkeit in oxidierenden Medien wie Atmosphäre, Meerwasser, Salpetersäure und Schwefelsäure sowie starkem Alkali besser als die der meisten rostfreien Stähle.
Titanlegierungen weisen eine hohe Festigkeit und Härte auf, daher müssen die Verarbeitungsgeräte leistungsstark sein und Formen und Schneidwerkzeuge sollten eine hohe Festigkeit und Härte aufweisen. Beim Schneiden ist die Kontaktfläche zwischen Span und Spanfläche klein und die Belastung der Werkzeugspitze groß. Im Vergleich zu 45er Stahl beträgt die Schnittkraft der Titanlegierung zwar nur 2/3-3/4, die Kontaktfläche zwischen Span und Spanfläche ist jedoch kleiner (nur 1/2-2/3 bei 45er Stahl ), so dass beim Schneiden des Werkzeugs die Belastung der Klinge groß ist und die Werkzeugspitze oder Schneidkante leicht verschleißt; Titanlegierung hat einen großen Reibungsfaktor und eine geringe Wärmeleitfähigkeit (nur 1/4 bzw. 1/16 von Eisen und Aluminium); Der Kontakt zwischen dem Werkzeug und dem Span ist auf seine kurze Länge zurückzuführen. Die Schneidwärme sammelt sich in einem kleinen Bereich nahe der Schneidkante und kann nicht leicht abgeführt werden. Diese Faktoren führen dazu, dass die Schneidtemperatur von Titanlegierungen sehr hoch ist, was zu einem beschleunigten Werkzeugverschleiß führt und die Bearbeitungsqualität beeinträchtigt. Aufgrund des niedrigen Elastizitätsmoduls der Titanlegierung federt das Werkstück beim Schneiden stark zurück, was leicht zu erhöhtem Werkzeugflankenverschleiß und Verformung des Werkstücks führen kann. Titanlegierungen sind bei hohen Temperaturen chemisch hochaktiv und reagieren leicht mit gasförmigen Verunreinigungen wie Wasserstoff und Sauerstoff in der Luft. Durch die chemische Reaktion entsteht eine gehärtete Schicht, die den Verschleiß des Werkzeugs zusätzlich erhöht. Beim Schneiden von Titanlegierungen verbindet sich das Werkstückmaterial leicht mit der Werkzeugoberfläche und in Verbindung mit der hohen Schneidtemperatur ist das Werkzeug anfällig für Diffusionsverschleiß und Adhäsionsverschleiß.
Titanlegierungen haben aktive chemische Eigenschaften und sind bei hohen Temperaturen leicht mit Schleifmitteln verträglich und haften daran, wodurch die Schleifscheibe verstopft wird, was zu erhöhtem Schleifscheibenverschleiß, verringerter Schleifleistung und Schwierigkeiten bei der Gewährleistung der Schleifgenauigkeit führt. Durch den Verschleiß der Schleifscheibe vergrößert sich auch die Kontaktfläche zwischen Schleifscheibe und Werkstück, wodurch sich die Wärmeableitungsbedingungen verschlechtern und die Temperatur im Schleifbereich stark ansteigt, wodurch eine große thermische Belastung auf der Schleiffläche entsteht, die zu lokalen Verbrennungen führt auf dem Werkstück und verursacht Schleifrisse. Titanlegierungen weisen eine hohe Festigkeit und Zähigkeit auf, was die Abtrennung der Schleifspäne beim Schleifen erschwert, die Schleifkraft erhöht und entsprechend den Schleifleistungsverbrauch erhöht. Titanlegierungen haben eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine geringe spezifische Wärme. Während des Schleifens ist die Wärmeleitung langsam, wodurch sich in der Schleiflichtbogenzone Wärme staut und die Temperatur der Schleifzone stark ansteigt. ​

Beim Extrudieren von Titan und Titanlegierungen sind eine hohe Extrusionstemperatur und eine schnelle Extrusionsgeschwindigkeit erforderlich, um einen zu schnellen Temperaturabfall zu verhindern. Gleichzeitig soll die Kontaktzeit zwischen Hochtemperatur-Rohling und Form möglichst verkürzt werden. Daher sollte die Extrusionsdüse neue hitzebeständige Düsenmaterialien verwenden und die Fördergeschwindigkeit des Rohlings vom Heizofen zum Extrusionszylinder sollte ebenfalls hoch sein. Da Metall beim Erhitzen und Extrudieren leicht durch Gas verunreinigt wird, sollten auch entsprechende Schutzmaßnahmen getroffen werden. Während der Extrusion sollten geeignete Schmiermittel ausgewählt werden, um ein Anhaften an der Form zu verhindern, wie z. B. Mantelextrusion und glasgeschmierte Extrusion. Aufgrund der großen thermischen Wirkung der Verformung von Titan und Titanlegierungen und der schlechten Wärmeleitfähigkeit muss besonders darauf geachtet werden, eine Überhitzung während der Extrusion und Verformung zu verhindern. Der Extrusionsprozess von Titanlegierungen ist komplizierter als der von Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen und sogar Stahl. Dies wird durch die besonderen physikalischen und chemischen Eigenschaften der Titanlegierung bestimmt. Beim herkömmlichen Heiß-Umkehrfließpressen von Titanlegierungen ist die Düsentemperatur niedrig, die Oberflächentemperatur des Barrens in Kontakt mit der Matrize sinkt schnell, während die Temperatur im Inneren des Barrens aufgrund der Verformungswärme ansteigt. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit der Titanlegierung kann die Wärme des inneren Barrens nach dem Absinken der Oberflächentemperatur nicht rechtzeitig auf die Oberfläche übertragen werden, um sie wieder aufzufüllen, und es entsteht eine oberflächengehärtete Schicht, die eine weitere Verformung erschwert. Gleichzeitig entsteht ein großer Temperaturgradient zwischen der Oberflächenschicht und der Innenschicht. Selbst wenn es geformt werden kann, kann es leicht zu Verformungen und einer ungleichmäßigen Struktur kommen.
Titanlegierungen reagieren sehr empfindlich auf die Parameter des Schmiedeprozesses. Änderungen der Schmiedetemperatur, des Verformungsgrads, des Verformungsgrads und der Abkühlgeschwindigkeit führen zu Veränderungen in der Struktur und den Eigenschaften von Titanlegierungen. Um die strukturellen Eigenschaften von Schmiedestücken besser kontrollieren zu können, wurden in den letzten Jahren bei der Schmiedeproduktion von Titanlegierungen in großem Umfang fortschrittliche Schmiedetechnologien wie Warmgesenkschmieden und isothermes Schmieden eingesetzt.

Die Plastizität von Titanlegierungen nimmt mit der Temperatur zu. Im Temperaturbereich von 1000-1200 Grad erreicht die Plastizität den Maximalwert und der zulässige Verformungsgrad erreicht 70 %-80 %. Der Schmiedetemperaturbereich von Titanlegierungen ist eng und sollte entsprechend der ( )/Umwandlungstemperatur streng kontrolliert werden (mit Ausnahme der Barrenöffnungen), da sonst die Körner heftig wachsen und die Plastizität bei Raumtemperatur verringern; Titanlegierungen liegen normalerweise zwischen ( ) und werden im Phasenbereich geschmiedet, da die Schmiedetemperatur oberhalb der ( )/-Umwandlungslinie zu hoch ist, was zur Bildung einer spröden Phase führt. Sowohl das anfängliche Schmieden als auch das endgültige Schmieden der Titanlegierung müssen höher als die ( )/-Umwandlungstemperatur sein. Der Verformungswiderstand von Titanlegierungen nimmt mit zunehmender Verformungsgeschwindigkeit schnell zu, wobei die Schmiedetemperatur einen größeren Einfluss auf den Verformungswiderstand von Titanlegierungen hat. Daher muss das konventionelle Schmieden im Schmiedegesenk mit minimaler Kühlung erfolgen. Auch der Gehalt an interstitiellen Elementen (wie O, N, C) hat einen erheblichen Einfluss auf die Schmiedbarkeit von Titanlegierungen.