Titanlegierungen für die Luft- und Raumfahrt werden anhand ihrer Mikrostruktur und Leistungseigenschaften in drei Haupttypen unterteilt: α-Titanlegierungen (einschließlich α-naher Legierungen), α+β-Titanlegierungen und β-Titanlegierungen. Die Vereinigten Staaten verfügen über ein besonders fortschrittliches Werkstoffsystem für Titanlegierungen in der Luft- und Raumfahrt mit einer umfassenden Palette an Legierungen. Zu diesen Werkstoffen gehören Legierungen, die bei hohen Temperaturen bis zu 600 °C eingesetzt werden können, wie beispielsweise Ti-1100, sowie hochfeste und zähe β-Titanlegierungen wie Ti-10-2-3 (Ti-10V-2Fe-3Al).
Alpha-Titanlegierungen zeichnen sich durch hervorragende Kriechfestigkeit und Schweißbarkeit aus und sind daher die erste Wahl für Hochtemperaturbauteile . Beispielsweise findet Ti-6242S (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,1Si) breite Anwendung in rotierenden Teilen wie Schaufeln und Rotoren von Gasturbinen. Die repräsentative α+β-Titanlegierung Ti-6Al-4V ist die am häufigsten verwendete Titanlegierung in der Luft- und Raumfahrt und macht etwa 60 % aller Titanlegierungsprodukte aus. Sie besitzt eine Mindestzugfestigkeit von 896 MPa und weist ausgezeichnete Ermüdungs- und Brucheigenschaften auf. β-Titanlegierungen wie Ti-15-3 (Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al) zeigen nach der Wärmebehandlung eine deutlich erhöhte Festigkeit, wobei die Plattenfestigkeit σb ≥ 1310 MPa erreicht. Sie werden häufig für Flugzeugstrukturbauteile und Rohrleitungssysteme eingesetzt.
Die Entwicklung dieser Titanlegierungen für die Luft- und Raumfahrt zielt auf höhere Temperaturbeständigkeit, verbesserte Festigkeits-Zähigkeits-Verhältnisse und spezielle Eigenschaften wie Flammschutz ab. Einige dieser Legierungen enthalten Edelmetalle, um die Hochtemperaturstabilität und die mechanischen Eigenschaften zu optimieren.
Die Titanrecyclingindustrie entwickelt als Reaktion auf diese Innovationen bei Legierungen für die Luft- und Raumfahrt auch ihre Rückgewinnungstechnologien und Preisstrukturen weiter.
Titanlegierungen für die Luft- und Raumfahrt finden ihren größten Einsatz in Flugzeugtriebwerken, wo sie über 30 % des Triebwerksgewichts ausmachen können. Wichtige Bauteile wie Lüfterscheiben und Turbinenschaufeln , Verdichterscheiben und -schaufeln sowie Triebwerksgehäuse bestehen in großem Umfang aus Titanlegierungen für die Luft- und Raumfahrt.
In Verdichterbereichen haben Titanlegierungen die bisherigen Stahlwerkstoffe ersetzt und so das Gewicht deutlich reduziert, während sie gleichzeitig Betriebstemperaturen von 300–550 °C standhalten. Hochtemperatur-Titanlegierungen, die in Europa und den USA entwickelt wurden, wie beispielsweise Ti-1100 und IMI834, sind für Temperaturen bis zu 600 °C geeignet und speziell für die Herstellung von Hochtemperaturkomponenten in Triebwerken konzipiert. Die in Großbritannien entwickelte Legierung IMI834 weist nach Lösungsglühen und Auslagern im β-2-Phasenbereich eine Festigkeit von σb ≥ 930 MPa bei Raumtemperatur auf und zeichnet sich durch hohe Kriechfestigkeit und ausgezeichnete Dauerfestigkeit aus. Sie wird in den Turbinenscheiben des Mitteldruck- und Hochdruckverdichters des Triebwerks RR Trent 800 eingesetzt.
In russischen Flugzeugtriebwerken bestehen bis zu 36 % der Bauteile aus Titanlegierungen. Da diese Triebwerksteile unter extremen Bedingungen arbeiten, erfordern sie außergewöhnliche Hitzebeständigkeit und Festigkeit – Eigenschaften, die Titanlegierungen aus der Luft- und Raumfahrt zu den bevorzugten Kernwerkstoffen für Triebwerke machen.
Titanlegierungen aus der Luft- und Raumfahrt werden auch in großem Umfang für Rohrleitungssysteme, Armaturen und Druckbehälter in Flugzeughydraulik- und Treibstoffsystemen eingesetzt. In diesen Systemen wird die Legierung Ti-3Al-2,5V häufig in Hochdruck-Hydraulikleitungen verwendet, die mit Drücken bis zu 28 MPa betrieben werden. Sie ersetzt dort Edelstahl 21-6-9 und ermöglicht eine Gewichtsreduzierung von 40 %.
Die Rohrleitungen des Steuerungssystems der Boeing 777 bestehen aus der Legierung Ti-15-3 anstelle des ursprünglich verwendeten, niedrigfesten Reintitans (CP), wodurch das Gewicht pro Flugzeug um 63,5 kg reduziert wird. Zu den Anwendungen von Titanlegierungen in der Luft- und Raumfahrt, insbesondere in Treibstoffsystemen, zählen auch Schweißkonstruktionen für Hydraulikspeicher und Treibstofftanks. Die in Russland entwickelte Legierung VT43 ist speziell für die Herstellung von Schweißkonstruktionen in Gaszylindern, Hydraulikspeichern und Treibstofftanks für die Luft- und Raumfahrt konzipiert.
Diese Systemkomponenten nutzen die hohe spezifische Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Dauerfestigkeit von Titanlegierungen aus der Luft- und Raumfahrt, um einen zuverlässigen Flugzeugbetrieb unter komplexen Bedingungen zu gewährleisten. Bestimmte Speziallegierungen enthalten Edelmetalle, um die Langzeitstabilität in korrosiven Umgebungen zu verbessern.
Die Bedeutung von Titanlegierungen für die Luft- und Raumfahrt liegt in ihrer einzigartigen Kombination von Eigenschaften. Sie weisen eine hohe spezifische Festigkeit auf und sind bei vergleichbarer Festigkeit etwa 40 % leichter als Stahl – ein entscheidender Vorteil für die Leichtbauweise in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Titanlegierungen zeichnen sich durch einen breiten Betriebstemperaturbereich aus und gewährleisten stabile Leistung von kryogenen Bedingungen bis hin zu hohen Temperaturen von 600 °C.
Je fortschrittlicher das Flugzeug, desto höher der Titananteil. Beispielsweise enthält der US-amerikanische Kampfjet der vierten Generation, die F-22, 41 % Titan und ist damit das Flugzeug mit dem höchsten Titananteil. Bei der Boeing 777 werden Titanlegierungen zur Herstellung von Leitwerksplatten aus thermogeformten Paneelen verwendet, da ihr Wärmeausdehnungskoeffizient gut mit dem von Kohlenstofffasern übereinstimmt. Dadurch werden die Probleme mit elektrochemischer Korrosion vermieden, die beim Kontakt von Aluminium mit Graphit auftreten.
Aus wirtschaftlicher Sicht weisen Titanlegierungen für die Luft- und Raumfahrt zwar höhere Anschaffungskosten auf, doch optimierte Konstruktionen und Prozesse – wie beispielsweise die russische Legierung VT43 – können die Kosten um 20 %, den Energieverbrauch bei der Wärmebehandlung um 50 % und den Aufwand für die Druckverarbeitung um 20 % sowie die Bearbeitung um 30 % reduzieren. Diese Eigenschaften machen Titanlegierungen für die Luft- und Raumfahrt zu unverzichtbaren Schlüsselwerkstoffen in der modernen Luft- und Raumfahrtindustrie. Bestimmte Hochleistungstitanlegierungen enthalten Edelmetalle, was ihre Zuverlässigkeit unter extremen Bedingungen gewährleistet und sie bei Edelmetallrecyclingunternehmen sehr begehrt macht .
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