Die Entwicklung und Anwendung von Titanlegierungen in der Luft- und Raumfahrt

Seit Beginn der industriellen Titanproduktion in den 1940er-Jahren findet Titan aufgrund seiner hohen spezifischen Festigkeit, ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit, nichtmagnetischen Eigenschaften und guten Schweißbarkeit sowie seiner Vorteile in Bezug auf Supraleitung, Wasserstoffspeicherung und Formgedächtnis breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der Rüstungsindustrie, der Schifffahrt, der Petrochemie, der Energieerzeugung und der Supraleitung. Es wird oft als „Universalmetall“, „Schiffsmetall“, „drittes Metall“ und „modernes Metall“ bezeichnet. Da die herausragenden Eigenschaften von Titan weiterhin erforscht werden, erweitert sich sein Anwendungsbereich stetig und etabliert sich als drittes Konstruktionsmetall nach Stahl und Aluminium.

Rohmaterialien für Titanlegierungen

Aufgrund seiner entscheidenden Rolle in der Verteidigung, der Luft- und Raumfahrt sowie in Hochtechnologiebereichen genießt Titan bei Militärmächten wie den USA, Russland, Großbritannien, Frankreich und Japan hohe Priorität und gilt als strategisch wichtiger Strukturwerkstoff des 21. Jahrhunderts. Die Entwicklung der Titanwissenschaft und -technologie, einschließlich neuer Legierungen, neuer Schmelzverfahren und Anwendungstechnologien, unterliegt einem rasanten und kontinuierlichen Wandel. Chinas Titanindustrie hat in den letzten 40 Jahren Höhen und Tiefen erlebt. Dank staatlicher Unterstützung konnte sie bedeutende Fortschritte erzielen und ein unabhängiges Titanindustriesystem aufbauen. Ausgehend von den Produktionszahlen des Jahres 2000 (1.751 Tonnen Titanschwamm und 2.206 Tonnen Titanverarbeitungsmaterialien) produzierte China im Jahr 2008 49.632 Tonnen Titanschwamm – ein Anstieg um das 27,3-Fache innerhalb von acht Jahren. Im selben Jahr wurden 27.737 Tonnen Titanverarbeitungsmaterialien hergestellt, was einer Steigerung um das 11,6-Fache entspricht.

Aufgrund der hohen Kosten für Rohmaterialien aus Titanlegierungen werden 70 bis 80 % der TitanmaterialTitanlegierungen werden in der Luft- und Raumfahrtindustrie im Ausland eingesetzt. Auch in China besteht ein erheblicher Bedarf an Titanlegierungen. Derzeit liegt der Anteil von Titanlegierungen in den in China entwickelten modernen Flugzeugen bei etwa 10 bis 12 Prozent. In der militärischen Luftfahrt ist der Anteil mit etwa 20 bis 30 Prozent sogar noch höher, während er in Triebwerken für Militärflugzeuge über 30 Prozent liegt. Auch der Einsatz von Titan in neuen Raketen und Flugkörpern nimmt zu.

Entwicklung und Anwendung von Struktur-Titanlegierungen

Da sich Flugzeugkonstruktionskonzepte von der traditionellen Fokussierung auf statische Festigkeit hin zu Sicherheit und Lebensdauer, Schadenssicherheit und schließlich zu modernen, schadentoleranten Konstruktionskonzepten entwickelt haben, verlagerte sich der Fokus auch bei fortschrittlichen Titanlegierungen zunehmend auf schadentolerante Titanlegierungen mit hoher Bruchzähigkeit und geringer Rissausbreitungsgeschwindigkeit. Derzeit haben Industrieländer im Ausland die Führung in der Forschung und Entwicklung neuer schadentoleranter Titanlegierungen und deren Anwendung in modernen Flugzeugen übernommen, insbesondere die mittelfeste Legierung Ti-6Al-4V ELI und die hochfeste Legierung Ti-6-2222S. Diese wurden erfolgreich in den US-amerikanischen Flugzeugen der nächsten Generation, F-22, F-35 und C-17, eingesetzt und haben deren Lebensdauer und Kampfeffektivität deutlich erhöht. Mit der Weiterentwicklung der Flugzeugkonstruktionskonzepte gewinnt das Konzept der schadentoleranten Konstruktion von Titanlegierungsstrukturen auch in China zunehmend an Bedeutung. Seit dem 15. Fünfjahresplan hat China eigenständig die mittelfesten, zähen und schadentoleranten Titanlegierungen TC4-DT und TC21 entwickelt und die β-Verarbeitungstechnologie für schadentolerante Titanlegierungen etabliert. Dies bildet die Grundlage für die Anwendung von Werkstoffen in der Entwicklung neuer Flugzeuge in China. Um den Bedarf an Titanlegierungen für Luft- und Raumfahrtstrukturen zu decken, hat China eigenständig niedrigfeste, zähe Titanlegierungen in Drahtqualität (NbTi) und Rohrqualität (TAl8) sowie die ultrahochfesten Titanlegierungen der Serien 1300 MPa–2000 MPa (TB8, TBl9, TB20) entwickelt. Damit wurde ein neues, spezifisch chinesisches Titanlegierungssystem für Flugzeugstrukturen geschaffen und die Basis für die Anwendung von Titanlegierungen der nächsten Generation für Luft- und Raumfahrtstrukturen gelegt.

Ti-6Al-4V (TC4) ist eine mittelfeste α-β-Titanlegierung, die Anfang der 1960er-Jahre entwickelt wurde und sich durch hervorragende Eigenschaften auszeichnet. Sie wird daher oft als „Universallegierung“ bezeichnet. TC4 ist die älteste und am weitesten verbreitete Allzweck-Titanlegierung im Luft- und Raumfahrtbereich, beispielsweise für Bleche, Stangen und Schmiede-/Gussteile. Die Legierung ist gut schweißbar und zerspanbar. Feinkörnige Legierungen weisen Superplastizität auf, und die Kombination von superplastischem Umformen und Diffusionsschweißen (SPF/DB) ermöglicht die Herstellung komplexer Bauteile.

Hochfeste Titanlegierungen für den Bau von Flugzeugen sind im Allgemeinen Legierungen mit Zugfestigkeiten von über 1000 MPa. Zu den aktuell international führenden und in der Luftfahrt eingesetzten hochfesten Titanlegierungen zählen die metastabilen β-Legierungen Ti-15-3 und β321s, die β-nahe Legierung Ti-1023 sowie die α-β-Zweiphasen-Titanlegierung BT22. Durch den Ersatz des derzeit weit verbreiteten hochfesten Baustahls 30CrMnSiA in Flugzeugstrukturen durch hochfeste Titanlegierungen lässt sich das Gewicht um über 20 % reduzieren.

Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo (TC21) ist eine hochfeste, zähe und schadentolerante Zweiphasen-Titanlegierung, die in den 1970er Jahren entwickelt wurde. Nach thermomechanischer Behandlung weist diese Legierung hohe Festigkeit, ausgezeichnete Schadenstoleranz und überlegene Beständigkeit gegen Ermüdungsrissausbreitung auf und eignet sich daher für die Herstellung hochfester, zäher, tragender Bauteile. Durch die Zugabe von Silizium behält die Legierung ihre hohe Festigkeit auch bei mittleren Temperaturen bei und übertrifft damit Ti-6Al-4V. Die Legierungsbleche lassen sich bei Raumtemperatur superplastisch umformen.

Ti-10V-2Fe-3Al (TB6) ist eine hochfeste, zähe, β-nahe Titanlegierung, die Ende der 1970er Jahre entwickelt wurde. Diese Legierung zeichnet sich durch hohe spezifische Festigkeit, gute Bruchzähigkeit, einen großen Abschreckbereich, geringe Anisotropie, ausgezeichnete Schmiedeeigenschaften und hohe Korrosionsbeständigkeit aus. Sie vereint die Vorteile metastabiler β-Titanlegierungen, ohne die Mischkristalleigenschaften von Titanlegierungen zu verlieren, und erfüllt somit die Anforderungen an schadentolerante Konstruktion, hohe Struktureffizienz, hohe Zuverlässigkeit und niedrige Kosten. Die maximale Betriebstemperatur beträgt 320 °C. Zu den Hauptprodukten dieser Legierung gehören Stäbe, Schmiedestücke, Dickbleche und Profile. Durch Lösungsglühen und Auslagern wird ein optimales Verhältnis von Festigkeit, Duktilität und Bruchzähigkeit erzielt, wodurch sie sich für die Herstellung von Strukturbauteilen mit hohen Anforderungen an Festigkeit und Bruchzähigkeit eignet. Durch thermomechanische Behandlung lassen sich ausgezeichnete Zähigkeit und geringe Rissausbreitungsgeschwindigkeiten erreichen, wodurch sie sich für Strukturen mit hohen Anforderungen an die Bruchzähigkeit eignet.