Ti 6242: Eine hochleistungsfähige 3D-gedruckte Titanlegierung

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Titanlegierungspulver werden für die Herstellung von Teilen mit hervorragender Leistung verwendet. Die gebräuchlichsten Sorten sind Ti6Al4V, aber unter bestimmten Bedingungen gibt es auch bessere Optionen wie TI-5553 und TI-38644 sowie die Titanlegierung Ti-6242 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,08Si), die für Hochleistungs- und Hochtemperaturanwendungen geeignet ist. Seine Dichte beträgt 4,5 g/cm³, was ihm ein gutes Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht verleiht. Ti-6242 vereint gute mechanische Festigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit, was es zu einem Werkstoff macht, der mit herkömmlichen Verfahren nur schwer herzustellen ist und in der Luft- und Raumfahrt, im Militär, in der Nuklearindustrie und im Motorsport eingesetzt werden kann. Dieses Thema wird in diesem Beitrag behandelt.

Ti 6242 Chemische Zusammensetzung (AMS/SAE 4919)

Al 5.5-6.5
Zr 3.6-4.4
Mo 1.8-2.2
Sn 1.8-2.2
Si 0.06-0.1
O ≤0.12
C ≤0.05
H(3.1.3) ≤0.05
Restelemente, gesamt(3.1.1) ≤0.3
Titan Restbetrag

 

Die chemische Zusammensetzung von Ti-6242 ist in der obigen Tabelle aufgeführt. Es kann in der zivilen und militärischen Luft- und Raumfahrt sowie in der Kernkraftindustrie verwendet werden, wo Komponenten, die eine ausgezeichnete Hochtemperaturstabilität erfordern und leicht sind (wie Triebwerke, Turbinenkomponenten, Nachbrennerstrukturen, Hochdruckverdichterschaufeln und heiße Enden des Rumpfes), für die Gesamtleistung von wesentlicher Bedeutung sind. In einigen Bereichen des kalten Endes werden nur Titanlegierungen mit Niedrigtemperatureigenschaften benötigt, während die Bereiche des heißen Endes von der Hochtemperaturstabilität des TI-6242 profitieren werden. Für diese Anwendungen sind unterschiedliche Werkstoffe erforderlich, so dass es entscheidend ist, den richtigen Werkstoff entsprechend den Betriebstemperaturanforderungen auszuwählen. Inzwischen ist TI-6242 die erste Titanlegierung, die von der AMS (American Aerospace Materials) speziell für additive Fertigungsanwendungen spezifiziert wurde. Im Vergleich zu anderen Titanlegierungen mit der gleichen Partikelgrößenverteilung weist TI-6242 eine höhere Oxidationsbeständigkeit und Sicherheit auf und lässt sich leichter verarbeiten.

TI-6242 verfügt über eine ausgezeichnete Hochtemperaturstabilität mit einer Kriechbeständigkeit von bis zu 500-550 °C und erfüllt die Festigkeitsanforderungen für Hochtemperatur- und Kriechbeständigkeitsanwendungen. Während andere gängige Titanlegierungen, wie Ti6Al4VTI-6242 ist in der Lage, bei viel höheren Temperaturen zu arbeiten (von niedrigen Temperaturen bis zu 500°C), sogar mit unterschiedlichen Temperaturschwankungen in einigen Extremfällen. Die Herausforderung in der Luft- und Raumfahrt bestand schon immer darin, die höchste mechanische Leistung bei möglichst geringem Gewicht und höchster Temperatur zu erreichen. Superlegierungen auf Nickelbasis werden in der Regel im heißeren Bereich eingesetzt, wobei ihre Dichte doppelt so hoch ist wie die von TI-6242, so dass das Gewicht von Triebwerken in der Luft- und Raumfahrtindustrie reduziert werden kann, während gleichzeitig die Temperaturanforderungen erfüllt werden. Diese Eigenschaften eignen sich auch für die Rennsportindustrie, wo das geringe Gewicht von TI-6242 zur Verbesserung der Motorleistung und der Kraftstoffeffizienz beiträgt. Daher kann TI-6242 ein wirksamer Ersatz für Stahl und nickelbasierte Superlegierungen sein.

Das 3D-Druckpulver TI-6242 erfüllt die Anforderungen an ein Design für mittelhohe Temperaturen, das für schnell rotierende Motoren geeignet ist, stellt aber dennoch eine Herausforderung dar, da es aufgrund von Eigenspannungen zur Rissbildung neigt. Hochsphärische Pulver verbessern die Bearbeitbarkeit und tragen dazu bei, den Druckprozess stabil zu halten und Rissbildung zu verhindern. Die Ermüdungseigenschaften von Werkstoffen reagieren sehr empfindlich auf Defekte; die Reduzierung von Defekten bei der additiven Fertigung ist ein guter Weg zur Optimierung der Rohstoffe. Darüber hinaus werden die mechanischen Eigenschaften von kugelförmiges Pulver TI-6242 kann durch den zyklischen Wärmebehandlungsprozess reguliert werden.

Mit AP&C hergestelltes Ti-6242-Pulver mit unterschiedlichen Partikelgrößen

AP&C, ein Pulverherstellungsunternehmen von GE Additive, ist auf reaktive Materialien, insbesondere Titanpulver, spezialisiert und ist der Pionier bei der Herstellung von Ti-6242. Der italienische 3D-Druck-Dienstleister BEAMIT hat ebenfalls Untersuchungen durchgeführt und gezeigt, dass die Streckgrenze von TI-6242, das mit L-PBF hergestellt wurde, bei Raumtemperatur etwa 1000 MPa beträgt und bei 550 °C über 600 MPa bleibt. Diese Eigenschaften sind mit denen von geschmiedetem Ti-6242 und IMI834 vergleichbar, einer der leistungsfähigsten Titanlegierungen bei hohen Temperaturen. In der Studie des Singapore Institute of Manufacturing Technology wurde ein zyklisches Wärmebehandlungsverfahren für die Herstellung einer sphärischen α-Phase bei der lasergestützten additiven Fertigung der nahezu α-haltigen Titanlegierung TI-6242 vorgeschlagen und überprüft. Die Elementdiffusion zwischen α und β ist die treibende Kraft für die Bildung der sphärischen α-Phase in der laserunterstützten additiven Fertigung der Legierung TI-6242. Durch die Bildung der sphärischen α-Phase wurden die Festigkeit und die Dehnung der laserunterstützten additiven Fertigung der Ti-6242-Legierung kontrolliert, die die Anforderungen der AMS 4919J (Streckgrenze ≥827 MPa, Dehnung ≥10%) erreicht. TI-6242 entspricht dem chinesischen GB TA19, das von mehreren Herstellern von Titanlegierungspulver in China geliefert werden kann.