Was Sie schon immer über Titan wissen wollten, aber bisher nie zu fragen wagten

Titan - ein Werkstoff für Ingenieurträume

Fräsbearbeitung von Titan. (Foto: Del West)
Tabelle 1: Vergleich wichtiger mechanischer Eigenschaften von Titan, Aluminium und Stahl. (Daten: Del West)
Tabelle 2: Vergleich wesentlicher physikalisch-chemischer Eigenschaften gebräuchlicher Industriemetalle.
Tabelle 3: Typische CP-Legierungen.
Bild 1: Beim Erwärmen von Reintitan erfolgt bei 882°C eine Umwandlung der Gitterstruktur von hexagonal alpha-Phase) zu kubisch raumzentriert (beta-Phase) (Grafik: Del West)
Bild 2: Phasendiagramm des Systems Ti-Al mit Angabe der Start- und Endtemperatur für die Bildung von Titanmartensit (alpha) (Grafik: Del West)
Bild 3: Phasendiagramm von Titanlegierungen bei Zugabe von Elementen, welche die beta-Phase stabilisieren (Grafik: Del West)
Bild 4 Phasendiagramm von beta-Titanlegierungen und typische Vertreter dieser Gruppe (Grafik: Del West)
Bild 5: Phasendiagramm von Titan-Aluminiumlegierungen bei hohen Al-Gehalten bis 60%. (Grafik: Del West/ calpad)
Schweissen von Titan unter Schutzgas in der Handschuhbox. (Foto: Del West)
Klaus Vollrath, Fachjournalist /

Titan war bisher aufgrund seines Preises ein Nischenwerkstoff. Seine guten Eigenschaften eröffnen ihm jedoch nach und nach immer weitere Einsatzgebiete. Mit zunehmender Erzeugung könnte auch der Preis sinken. Der Beitrag beschreibt in knapper Form ausgewählte Inhalte eines Kurses, den Alfred W. Sommer und Wojtek Zolnowski von der Fa. Del West Europe im Auftrag der Schweizerischen Stiftung für mikrotechnische Forschung (FSRM) in Neuchâtel abgehalten haben. Präsentiert werden die wichtigsten Legierungsarten nebst grundlegenden Gebrauchs- und Verarbeitungseigenschaften sowie sich abzeichnende Trends.

Titan befindet sich quasi im Übergangsbereich zwischen den «klassischen» Antipoden der meistverwendeten Ingenieurwerkstoffe, den herkömmlichen Eisenwerkstoffen und Stählen und den sogenannten Leichtmetallen Aluminium und Magnesium. Mit einer spezifischen Dichte von 4,5g/cm3 liegt Titan zwar deutlich unterhalb der rund 7,8g/cm3 der meisten Eisenwerkstoffe, aber immer noch deutlich oberhalb der 2,8g/cm3 des Aluminiums oder der 1,74g/cm3 des Magnesiums. Einen Vergleich wesentlicher Eigenschaften zeigen die Tabellen 1 und 2. Trotz seines Gewichtsnachteils ist Titan ein beliebter Leichtbauwerkstoff, denn dank ihrer hohen Festigkeit kann man mit Titanlegierungen das höchste Verhältnis von Streckgrenze/Dichte aller Metallwerkstoffe erreichen. Anders ausgedrückt: Eine Titankonstruktion, die eine gegebene Belastung aushält, wiegt nur 57% dessen, was eine Stahlkonstruktion gleicher Belastbarkeit wiegen würde. Auch im Vergleich zum Aluminiumläge die Gewichtseinsparung immerhin noch bei 20%.

Darüber hinaus zeichnet sich Titan durch eine ganze Reihe weiterer positiver Eigenschaften aus, die es für den Ingenieur attraktiv machen. Es ist zäh, korrosionsbeständig, unmagnetisch und biokompatibel bei Verwendung z.B. als Implantat in der Medizin. Einer breiteren Anwendung steht vor allem sein hoher Preis entgegen. Laut Wikipedia ist reines Titan aktuell 35 Mal teurer als verbreitete Stahllegierungen bzw. 200 Mal teurer als Rohstahl (Stand 2013).

Die unterschiedlichen Titanlegierungen

Ähnlich wie beim Eisen kommt es auch bei Reintitan bei der Abkühlung zu einer reversiblen Umwandlung der Kristallstruktur, Bild 1. Oberhalb von 882°C sind die Ti-Atome in einem kubisch raumzentrierten Gitter angeordnet (b-Phase), darunter erfolgt eine Umwandlung zu einem hexagonalen Gitter (a-Phase). Diese beim Reintitan reversible Umwandlung kann durch verschiedene Legierungszugaben so beeinflusst werden, dass beim Abkühlen eine Mischung aus a-Phase und b-Phase vorliegt (b-isomorphes Gefüge). Schliesslich kann es bei Zugabe einer weiteren Gruppe von Legierungselementen zu einer eutektoiden Umwandlung der b-Phase kommen, sodass das resultierende Gefüge aus a-Phase sowie Mischkristallen des Typs TixAy besteht (b-eutektoides Gefüge). Diese Unterschiede in der Kristallstruktur sind ein wichtiges Kriterium zur Charakterisierung der Legierungsfamilien des Titans.

Eine Stabilisierung der a-Phase erreicht man durch Legierungszugaben von Al, N, O oder C, während die Elemente V, Mo, Nb und Ta zur Stabilisierung der b-Phase beitragen. Die Ausbildung eines b-eutektoiden Gefüges begünstigen die Elemente Fe, Mn, Cr, Co, Cu, Si und H.

Legierungen des a-Typs

Hierzu gehört insbesondere Reintitan, das auch unter der Bezeichnung C.P. (Commercially Pure) mit einem Titangehalt von 99 bis 99,5 Gewichts-% am Markt erhältlich ist, Tabelle 3. Aufgrund ihrer hexagonalen Kristallstruktur ist ihre Umformbarkeit vergleichsweise schlecht. CP-Material ist vergleichsweise preiswert und zeichnet sich durch sehr gute Korrosionsbeständigkeit bei mittlerer Festigkeit sowie gute Risszähigkeit aus. Auch ist es sehr gut schweissbar. Bei diesen Legierungen ist keine Eigenschaftsverbesserung durch eine Wärmebehandlung erzielbar. Typische Einsatzbereiche sind Wärmetauscher, Anlagen für die Chemietechnik, Schweisselektroden, Chemiereaktoren für hohe Temperaturen und Drücke, medizinische Implantate oder Kryogentanks.

Neben den CP-Legierungen gehören zu dieser Gruppe auch noch Werkstoffe, die als a-nah bezeichnet werden. Gebräuchlichstes Legierungselement ist hierbei das Aluminium, welches diea-Phase stabilisiert, Bild 2. Daher erfolgt bei Temperaturen oberhalb von 882°C eine teilweise Umwandlung durch Rekristallisation, aus dem a-Gefüge entsteht ein a + b-Gefüge. Diese Rekristallisation hat positive Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften. Zudem erfolgt bei der Abkühlung beim Unterschreiten der Ms-Temperatur eine martensitische Umwandlung zu Titanmartensit (a’), die unterhalb der Mf-Temperatur zum Stillstand kommt. Beide Gruppen zeichnen sich durch geringes Eigenspannungsniveau aus. Ihre Härte kann durch eine Auslagerung nach Hochtemperaturbehandlung gesteigert werden, jedoch sind keine hohen Härtewerte erreichbar.

Alpha-nahe Werkstoffe zeichnen sich durch hohe Zugfestigkeit und gute Beständigkeit bei hohen Temperaturen aus und werden daher häufig für z.B. Verdichterschaufeln in Fluggasturbinen oder Ventile in Motoren verwendet. Vertreter dieser Gruppe sind Ti-8Al-1Mo-1V sowie Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo.

Legierungen des Typsa + b

Bei diesen Legierungen erreicht man durch Zugabe von Legierungselementen, welche die b-Phase stabilisieren, ein bis herab zur Raumtemperatur stabiles Mischgefüge aus beiden Phasen, Bild 3. Die bei der Wärmebehandlung ablaufende Rekristallisation hat positive Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften. In gleicher Richtung können sich auch Martensitbildung und Auslagerung auswirken. Werkstoffe des Typs a + b zeichnen sich daher in der Regel durch hohe Zugfestigkeit und gute Beständigkeit gegen Rissausbreitung sowie hohe Temperaturbeständigkeit aus. Weiterer Vorteil ist ihre Korrosionsbeständigkeit. Die Zusammensetzung des Gefüges bezüglich Korngrösse und Mengenverteilung der Bestandteile kann durch Wärmebehandlung variiert werden. Dies ermöglicht es, verschiedene Härtegrade zu erreichen. Zu dieser Gruppe gehören die am meisten verwendeten und vielfältigsten Legierungen des Titans.

Auch bei diesen Werkstoffen kommt es zur Bildung von Titanmartensit. Bezüglich der Gefügeausbildung lassen sich drei charakteristische Gruppen unterschieden: Werkstoffe mit lamellarem Gefüge erscheinen im Mikroskop nadelig. Sie sind zäher und beständiger gegen Rissausbreitung als solche mit gleichachsiger Gefügestruktur. Bei letzterer erscheint das Gefüge im Mikroskop in Form mehr oder weniger gleichmässiger Vielecke. Diese Werkstoffe haben eine bessere Verformbarkeit und Dauerfestigkeit als solche mit lamellarem Gefüge. Schliesslich gibt es noch Legierungen mit einem Mischgefüge aus lamellaren und gleichachsigen Kristallen, welche die Vorteile der beiden anderen Gruppen kombinieren. Typischer Vertreter dieser Gruppe ist die Legierung Ti-6Al-4V (Grade 5).

Legierungen des b-Typs

Bei diesen Legierungen wird durch Zulegieren von b-stabilisierenden Elementen – häufig Vanadium – ein a + b-Mischgefüge mit hohen Anteilen an b-Phase erzeugt, Bild 4. Bezüglich der Wärmebehandlung wird zwischen den Zuständen «lösungsgeglüht und gealtert» und «angelassen» unterschieden. Generell zeichnen sich b-Legierungen durch hohe Zugfestigkeiten bis zu 1300–1400 MPa, gute Umformbarkeit durch Warm- und Kaltmassivumformung auch bei grossen Wanddicken, hohe Härte und fallweise hohe Zähigkeit aus. Zudem weisen sie eine gute Kriechbeständigkeit, erhöhte Dichte und einen niedrigeren E-Modul von etwa 93 GPa auf. Typische Einsatzbereiche sind mechanisch hoch belastete Komponenten wie Ti-10V-2Fe-3Al, das in Fahrwerken ziviler Boeing-Flugzeuge zum Einsatz kommt, Ti-5Al-5V-3Mo-3Cr (Airbus-Fahrwerke) oder das für Spiralfedern verwendete Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo.

Hochtemperaturanwendungen

Die mit rund 50% aller Anwendungen meistverwendete Titanlegierung ist das Ti6Al4V, eine Legierung des a + b-Typs. Nach Lösungsglühen und Auslagern erreicht sie eine Streckgrenze (Rp0,2 ) von 1000MPa und eine Zugfestigkeit (Rm) von 1102MPa. Besonders hervorzuheben sind ihre gute Umformbarkeit sowie ihr günstiger Preis. Hiervon gibt es die Sondervariante Ti-6Al-4V-ELI (Extra Low Interstitial) mit verringertem Gehalt der Elemente O, N und C, die in Form von Zwischengitteratomen auftreten. Diese Legierungen weisen eine verbesserte Zähigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit auf, ihre maximale Einsatztemperatur ist jedoch auf rund 500°C begrenzt. Für höhere Einsatztemperaturen – z.B. als Ersatz für Nickelbasislegierungen in Fluggastriebwerken bei Betriebstemperaturen von 700–900°C – wurden zwei Typen von Titanlegierungen mit hohem Aluminiumzusatz entwickelt. Hierbei kommt es zur Bildung von intermetallischen Phasen aus Titan und Aluminium. Die wichtigsten sind das hexagonale Ti3Al mit etwa 25-35 Atom-% Al und das g-TiAl mit 50 bis 55 Atom-% Al. Titanaluminide haben im Vergleich mit Ni-Basislegierungen eine wesentlich geringere Dichte (3.8 [g/cm³] statt 8.5 [g/cm³]) und zeichnen sich durch sehr gute Festigkeit und Steifigkeit aus. Nachteile sind ihr hoher Preis sowie eine vergleichsweise hohe Oberflächenoxidation. Aufgrund seiner wirtschaftlichen wie militärischen Bedeutung ist g-TiAl ein Schwerpunkt der aktuellen Forschungsaktivitäten im Bereich der Titanwerkstoffe.

Die Eigenschaftsbewertungen dieser Werkstoffe im Vergleich mit Nah-a-Titan und Ni-Basis-Legierungen zeigt Tabelle 4.

Be- und Verarbeitung von Titan: Schneiden/Trennen

Titanlegierungen lassen sich mit den üblichen spanabhebenden und umformenden Verfahren sowie durch Schweissen vergleichsweise problemlos verarbeiten. Zu beachten ist hierbei allerdings die bei hohen Temperaturen sehr starke Reaktivität des Titans mit Luftsauerstoff sowie mit manchen Chemikalien. So kann man Titan beispielsweise nur unter Schutzgas oder Vakuum und unter Beachtung von Sicherheitsregeln aufschmelzen und giessen. Auch der Umgang mit Spänen erfordert die konsequente Beachtung geeigneter Sicherheitsmassnahmen. Für das Trennen können sowohl übliche Verfahren wie das Sägen mit Band- oder Bügelsäge als auch das Trennschleifen eingesetzt werden. Auch das Drahterodieren ist einsetzbar, allerdings kann es hierbei zu Aufschmelzungen an der Oberfläche sowie zur Aufnahme von Wasserstoff kommen, der dann ins Material diffundieren und die Legierungseigenschaften verändern kann (H ist ein Legierungsbestandteil). Ebenfalls einsetzbar ist das Laserschneiden (unter Argon-Schutzgas), wobei eine etwa 0,5mm dicke, thermisch beeinflusste Randzone entsteht. Vor allem für dünne Bleche gibt es alternativ hierzu von Synova eine Kombination aus Laser- und Wasserstrahlschneiden, bei der das Material weder mechanisch noch thermisch geschädigt wird. Ebenso materialschonend ist auch der Einsatz des Wasserstrahlschneidens, bei dem ebenfalls keine «Zunderbärte» entstehen.

Be- und Verarbeitung von Titan: Drehen/Fräsen

Titanwerkstoffe gelten aus einer Reihe von Gründen als schwer zerspanbar. Wichtiger Aspekt ist die hohe Reaktivität des Titans, das mit den meisten Schneidwerkstoffen chemisch reagiert. Dadurch kommt es zum «Kleben» der Späne und in der Folge zu vorzeitigem Verschleiss. Hinzu kommt, dass die geringe thermische Leitfähigkeit des Titans einen erheblichen Wärmestau an der Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Bauteil bewirkt. Die dadurch erhöhten Temperaturen im Bereich der Werkzeugschneiden sind eine weitere Ursache für hohen Verschleiss. Bei der Bearbeitung von beispielsweise Ti-6-4 werden 80% der erzeugten Wärmeenergie über das Werkzeug abgeführt. Im Gegensatz dazu wird bei der Bearbeitung von Aluminium nahezu die gesamte erzeugte Wärmeenergie mit den Spänen abtransportiert. Einen weiteren Beitrag zum erhöhten Werkzeugverschleiss liefert zudem die hohe Festigkeit bzw. Härte des Werkstoffs bei erhöhten Temperaturen, die zu entsprechend starken Belastungen der Werkzeugschneide beiträgt, wohingegen das Aluminium unter solchen Bedingungen «weich» wird.

Weiterer bei der Bearbeitung zu beachtender Aspekt ist der niedrige E-Modul des Titans, der lediglich etwa halb so hoch liegt wie der des Stahls. Dies führt zum «Ausweichen» des Materials durch die Schnittkräfte, insbesondere bei der Bearbeitung dünnwandiger Partien. Die anschliessende Rückfederung führt zu Abweichungen von den Sollmassen.

Abschliessend sei noch auf die Unterschiedlichkeit der Wirkmechanismen beim Drehen bzw. Fräsen hingewiesen. Beim Drehen handelt es sich in der Regel um eine Bearbeitung mit ununterbrochenem Schnitt. Sobald das Werkzeug eingedrungen ist und mit dem Abheben des Spans begonnen hat, wird die anfängliche Lastspitze abgebaut, sodass lediglich noch die Fragen der Drehgeschwindigkeit und der Wärmeentwicklung zu beachten sind. Aus diesem Grund empfiehlt es sich, beim Drehen mit geringer Drehzahl, dafür aber mit hohem Vorschub zu arbeiten. Im Gegensatz dazu erfolgt das Fräsen grundsätzlich im unterbrochenen Schnitt mit entsprechend hoher dynamischer Belastung des Zahns.

Tipps für die spanabhebende Bearbeitung

Generell haben sich beim Drehen/Fräsen folgende Massnahmen bewährt. Wichtig sind niedrige Schnittgeschwindigkeiten (<100 m/min), da dies die Wärmeentwicklung im Bereich der Werkzeugschneiden begrenzt und ihre Standzeit erhöht. Anderenfalls kann es zu einem exponentiellen Abfall der Standzeit kommen. Aus dem gleichen Grund empfiehlt es sich, mit hohem Vorschub und hohen Spandicken zu arbeiten. So vermeidet man auch den Einsatz der Schneiden auf Flächen, die durch die vorherige Bearbeitung eine Aufhärtung erfahren haben. Auch empfiehlt sich der reichliche Einsatz von Kühlschmierstoff, wobei sowohl Öle als auch Emulsionen eingesetzt werden können. Vorteile sind eine bessere Wärmeabfuhr, geringere Schnittkräfte und eine bessere Späneabfuhr. Empfehlenswert ist auch der Einsatz gut geschärfter Schneiden. Dies ist umso wichtiger, da die Schneiden einer starken Abnutzung sowie der Bildung von Aufbauscheiden unterliegen. Die Folge sind eine schlechte Oberflächenqualität sowie Massabweichungen der bearbeiteten Teile. Auch sollte man grundsätzlich den Vorschub aufrechterhalten, solange das Werkzeug im Eingriff ist. Anderenfalls kommt es schnell zu Aufhärtungen, Schmieren, Verklemmen oder Problemen mit der Aufspannung.

Wichtig ist auch die Verwendung steifer Spannvorrichtungen, um hohe Spantiefen bei zugleich minimierter Auslenkung des Werkstücks zu ermöglichen. Bezüglich der Werkzeugwahl empfiehlt sich ein eher positiver Spanwinkel mit scharfer Schneidkante. Beim Werkzeug empfiehlt sich gesintertes Hartmetall, da dieses den speziellen thermischen und chemischen Beanspruchungen bei der Titanbearbeitung am besten standhält. Zudem ist eine Beschichtung mit z.B. TiAlCrN, TiAlN, CrN oder Diamond-like Carbon ratsam.

Darüber hinaus lässt sich Titan problemlos auch mit den meisten anderen in der Industrie üblichen Verfahren bearbeiten bzw. in Form bringen. Anwendbar sind beispielsweise alle Schleifverfahren und -werkstoffe, das Schmieden, Extrudieren, Walzen und Ringwalzen oder auch die üblichen Blechumformverfahren. Vorteil von Titan bei der Blechumformung ist seine Superplastizität im Temperaturbereich von etwa 900°C, wodurch Dehnwerte von bis zu 200% erreicht werden können.

Be- und Verarbeitung von Titan: Schweissen

Titan kann mit so gut wie allen «klassischen» Verfahren wie MIG, TIG, Elektronenstrahl, Laser, Punkt-, Reib- oder Diffusionsschweissen usw. geschweisst werden. Allerdings sind aufgrund seiner Reaktivität hierbei bestimmte Vorsichtsmassnahmen zu beachten. So muss der Kontakt von aufgeschmolzenem Metall mit Luftsauerstoff unbedingt vermieden werden. Dies kann entweder durch Verwendung von Schutzgas oder durch Arbeiten unter Vakuum erreicht werden. Für kleine Werkstücke empfiehlt sich die Verwendung einer Handschuhbox. Schweissgut und Werkstück sollten die gleiche Zusammensetzung aufweisen. Wichtig sind auch eine sorgfältige Reinigung und Entfettung der Oberflächen.

Eine gut ausgeführte Schweissnaht erkennt man an ihrem Silberglanz. Bei hellblauer oder strohgelber Farbe genügt meist noch eine Bürstbehandlung mittels einer neuen Nirosta-Drahtbürste. Erscheint die Schweissnaht dagegen tiefblau, graublau, grau oder stumpfweiss, so ist sie kontaminiert. Solche Schweissnähte müssen komplettentfernt und neu ausgeführt werden. Häufigste Fehlerursache sind falsche Einstellparameter beim Schutzgas.

Be- und Verarbeitung von Titan: Oberflächenveredelung

Auch bezüglich der verschiedensten Verfahren zur Beschichtung bzw. Veredelung der Oberfläche kann Titan als gutmütiger Werkstoff eingestuft werden. So sind praktisch alle klassischen Lackier-, Beschichtungs- und Oberflächenbehandlungsverfahren wie galvanisches Beschichten, Eloxieren, thermisches Spritzen, PVD-, CVD- und DLC-(Diamond-like Carbon)-Beschichtungen sowie die verschiedensten Strukturierungen der Oberfläche durch Polieren, Satinieren oder Kugelstrahlen einsetzbar.

Ein besonders interessantes Verfahren ist die von Del West Europe entwickelte Keramisierung durch die Einwirkung von Mikro-Lichtbögen in einem Elektrolyten. Dieses ursprünglich im Rennsport eingesetzte Verfahren erzeugt eine harte und glatte keramische Deckschicht mit günstigen optischen, tribologischen und haptischen Eigenschaften, ohne dass die Geometrie des Bauteils verändert würde. Zum Einsatz kommt es u.a. bei Kolben und Ventilen für Rennmotoren.

Titanverwendung im Bereich der Mikrotechnologie

Aufgrund seiner nahezu universellen Einsatzmöglichkeiten wird Titan auch im Bereich mikrotechnischer Anwendungen vielfach eingesetzt. Gerade solche Anwendungen sind aufgrund des vergleichsweise geringen Materialeinsatzes weniger sensitiv bezüglich des Materialpreises. Hier fällt die Entscheidung daher schneller zugunsten des Materials, das die gewünschte Eigenschaftskombination am besten erfüllt. Einen Schwerpunkt bildet die Uhrenfertigung, da hier mechanische Belastbarkeit, ansprechende Optik und Beständigkeit gegen korrosive oder chemische Einflüsse gleichermassen im Vordergrund stehen. Die gute Biokompatibilität begünstigt den Einsatz im Bereich medizinischer Implantate wie z.B. Stents. Darüber hinaus wird Titan häufig in den Bereichen Schmuck, Präzisionsmechaniken, Optik oder Messtechnik sowie für hoch dynamisch beanspruchte Bauteile im Maschinenbau eingesetzt.

Know-how-Vermittlung für die Mikrofabrikation
Eine rasche Verbreitung von Kenntnissen über die Mikrosystemtechnik hat sich die Schweizerische Stiftung für mikrotechnische Forschung (FSRM) auf die Fahnen geschrieben. In Zusammenarbeit mit namhaften europäischen Forschungsinstituten und Anwendern wurde ein breit gefächertes Kursprogramm «Training in Microsystems» aufgebaut, das im Jahre 2014 rund 40 Kurse über die verschiedenen wesentlichen Aspekte des Fachgebiets beinhaltet. Informationen und das komplette Kursprogramm sind erhältlich über FSRM, Annette Locher, 032 720 09 00 fsrmWe do not like spam..@.. so please: No spamming!fsrmWe do not like spam..... so please: No spamming!ch.