Ti-1023 Titan-Rundstange

Ti-1023-Titanrundstangen und -Knüppel (Ti-10V-2Fe-3Al, UNS R56410) sind eine Nahe-Beta-Titanlegierung, die als Schmiedegut und bearbeitete Stangen geliefert wird und den Anforderungen der Normen AMS 4983 und AMS 4984 hinsichtlich Legierung und Schmelze entspricht, mit Zugfestigkeiten von 970 MPa im geglühten Zustand bis zu 1.193–1.260 MPa (173–183 ksi) im lösungsgeglühten und gealterten Zustand. Die Legierung ist das primäre Werkstoffmaterial für das Hauptfahrwerk der Boeing 777 und wird häufig für kritische Schmiedeteile der Flugzeugzelle sowie für Strukturbauteile mit hoher Zyklusermüdung spezifiziert, bei denen eine hervorragende Tiefhärtbarkeit und eine Near-Net-Shape-Schmiedbarkeit erforderlich sind.

Technische Daten im Überblick

Was ist Ti-1023-Titan?

Ti-1023 (Ti-10V-2Fe-3Al) ist eine nahezu-beta- und metastabil-beta-Titanlegierung, die nominell 10 Gew.-% Vanadium, 2 Gew.-% Eisen und 3 Gew.-% Aluminium enthält, eine Dichte von 4,65 g/cm³ und eine Beta-Transus-Temperatur von etwa 800 °C (1.472 °F) aufweist.

Ursprünglich von TIMET (Titanium Metals Corporation) entwickelt und unter dem Namen TIMETAL 10-2-3 vermarktet, wurde die Legierung Anfang der 1970er Jahre für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt zugelassen und wurde zur wichtigsten Strukturlegierung für das Hauptfahrwerk der Boeing 777 – eine Anwendung, die eine durchgehende Verfestigung großer Querschnitte erfordert, was herkömmliche Alpha-Beta-Legierungen wie Ti-6Al-4V nicht leisten können. Durch den Ersatz von 4340M-Stahl durch Ti-1023-Schmiedeteile im Hauptfahrwerk der 777 konnte das Systemgewicht um etwa 270 kg reduziert werden.

Wesentliche Unterscheidungsmerkmale:

• Hohe Härtbarkeit: Schmiedeteile mit einer Dicke von bis zu ca. 100 mm (4 in.) können durch Lösungsglühen und Auslagern (gemäß den Bedingungen von AMS 4986 / AMS 4987) durchgehärtet werden, was die Herstellung von dickwandigen Konstruktionsschmiedeteilen ermöglicht
• Formtreue Schmiedbarkeit: Der große Warmformbereich der Legierung führt im Vergleich zu alternativen hochfesten Titanlegierungen zu einem geringeren Materialabtrag und niedrigeren Bearbeitungskosten.
• Hohe spezifische Festigkeit: Lösungsgeglühtes und gealtertes Ti-1023 erreicht gemäß AMS 4984 eine Mindestzugfestigkeit von 1.193 MPa (173 ksi) bei einer Dichte von 4,65 g/cm³ und übertrifft damit Stahl hinsichtlich des Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht deutlich.
• Erhaltung der metastabilen Beta-Phase: Der hohe Vanadiumgehalt unterdrückt die Martensitbildung beim Abschrecken und ermöglicht so eine kontrollierte Ausscheidungshärtung durch Auslagerung

Ti-1023 wird gemäß der chinesischen Norm (GB/T 2965) auch als TB6 bezeichnet und trägt die UNS-Nummer R56410. Für diese Legierung gibt es keine ASTM-“Güteklasse” (analog zu CP-Güteklassen 1–4); die Produktspezifikationen richten sich ausschließlich nach dem AMS-System.

Chemische Zusammensetzung

Chemische Zusammensetzung von Ti-1023 gemäß AMS 4984 (Gewichtsprozent):

Der Aluminiumgehalt stabilisiert die Alpha-Phase und sorgt für eine Festigkeitssteigerung durch Mischkristallbildung; Vanadium ist der wichtigste Beta-Stabilisator und bestimmt die Härtbarkeit; Eisen wirkt als zusätzlicher Beta-Stabilisator mit besonders starkem Einfluss auf die Martensit-Einsetztemperatur, weshalb der Eisengehalt die am strengsten kontrollierte Variable in der Legierungsspezifikation ist.

Mechanische Eigenschaften

Die Eigenschaften von Ti-1023 hängen stark von den Wärmebehandlungsbedingungen ab. Die vier AMS-Schmiedespezifikationen (4983, 4984, 4986, 4987) definieren unterschiedliche Kombinationen aus Festigkeit und Zähigkeit, die durch unterschiedliche Alterungstemperaturen bei geschmiedeten Bauteilen erreicht werden.

Glüht / Lösungsgeglüht

An Stangen/Knüppeln vor der Endalterung gemessene Eigenschaften – repräsentativ für das Material, das für das anschließende Schmieden und die Wärmebehandlung geliefert wird:

AMS 4984-Zustand – Spitzenfestigkeit (173 ksi)

Lösungsgeglühte und gealterte Schmiedeteile: Alterung bei 482–510 °C (900–950 °F), maximaler Querschnitt 76 mm (3 Zoll):

AMS 4986 / AMS 4987 – Anforderungen – Höhere Zähigkeit

Für dickere Querschnitte und schadensresistente Konstruktionen (Auslagerung bei 510–593 °C, maximaler Querschnitt 102 mm / 4 in.):

Standardparameter für die Wärmebehandlung:

• Behandlungstemperatur: 28–56 °C (50–100 °F) unterhalb des Beta-Transus (~800 °C), mindestens 30 Minuten, Wasserabschreckung (Luftkühlung zulässig bei Querschnitten < 25 mm / 1 Zoll)
• AMS 4984: 8 Stunden bei 482–510 °C (900–950 °F), Abkühlung an der Luft
• AMS 4986: 510–538 °C (950–1.000 °F) für 8 Stunden, Abkühlung an der Luft
• AMS 4987, Temperatur: 566–593 °C (1.050–1.100 °F) für 8 Stunden, Abkühlung an der Luft

Physikalische Eigenschaften

Verfügbare Größen und Toleranzen

Ti-1023-Rundstangen und -Knüppel sind in den folgenden Standardausführungen erhältlich. Sonderdurchmesser und Schnittlängen sind bei Einhaltung einer Mindestbestellmenge möglich.

Durchmesser Bereich

Länge

• Standard: 914–3.048 mm (36–120 Zoll)
• Verlängert: auf Anfrage bis zu 6.000 mm (236 Zoll)
• Maßgeschneiderter Zuschnitt: Toleranz ±1,6 mm

Zustandsoptionen

• Geglüht (Rohmaterial vor dem Schmieden)
• Lösungsgeglüht und gealtert (Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften gemäß AMS 4984)
• Walzzustand mit entzunderter Oberfläche

Ti-1023 vs. Ti-6Al-4V: Auswahl der richtigen Legierung

Ti-1023 und Ti-6Al-4V (Güteklasse 5) sind beides Hochleistungstitanlegierungen für die Luft- und Raumfahrt, erfüllen jedoch unterschiedliche konstruktive Anforderungen. Der folgende Vergleich behandelt die wichtigsten Auswahlkriterien für die Konstruktion von Bauteilen in der Luft- und Raumfahrt.

Wann sollte Ti-1023 angegeben werden:

• Dickschnitte-Strukturschmiedeteile (Fahrwerke, Schotten, Rahmen), die eine Durchhärtung bis zu einer Querschnittsdicke von 100 mm erfordern
• Anwendungen, die eine Zugfestigkeit (UTS) von über 1.100 MPa bei akzeptabler Bruchzähigkeit erfordern
• Schmiedeverfahren zur Herstellung von Produkten in nahezu endgültiger Form, bei denen die Ausnutzung des Rohstücks und die Senkung der Bearbeitungskosten entscheidend sind

Wann sollte Ti-6Al-4V verwendet werden:

• Dünnere Abschnitte, bei denen keine tiefe Härtbarkeit erforderlich ist
• Anwendungen, bei denen Schmelzschweißen oder die Blech- bzw. Plattenumformung erforderlich ist
• Anwendungen, bei denen die Bruchzähigkeit Vorrang vor der Zugfestigkeit hat

Anwendungen

Titanrundstangen und -blöcke aus Ti-1023 sind für kritische Konstruktionsanwendungen vorgesehen, bei denen hohe Festigkeit, geringes Gewicht und die Härtbarkeit des Querschnitts die maßgeblichen Konstruktionsvorgaben darstellen:

• Flugzeugfahrwerk: Hauptwerkstoff für die Baugruppen des Hauptfahrwerks der Boeing 777; durch den Ersatz von 4340M-Stahl durch Ti-1023-Schmiedeteile konnte das Gewicht des Hauptfahrwerks um etwa 270 kg reduziert werden. Ebenfalls für das Fahrwerk des Militärtransportflugzeugs C-17 Globemaster III zugelassen.
• Primärstruktur des Flugzeugrumpfs: Kritische tragende Rahmen, Holme, Schotten und Befestigungsvorrichtungen in zivilen und militärischen Flugzeugen, bei denen eine Zugfestigkeit von über 1.100 MPa erforderlich ist
• Tragwerke für Hubschrauber: Super Lynx und ähnliche Drehflügler – insbesondere Schmiedeteile für den Hauptrotorkopf –, bei denen hochfestes Titan das Gewicht in den primären dynamischen Strukturen reduziert
• Rohmaterial für Schmiedestangen: Near-Net-Shape-Gesenkschmiedeteile für Halterungen, Befestigungselemente und Strukturknotenpunkte in der Luft- und Raumfahrt; Ti-1023-Rohlinge weisen einen größeren Temperaturbereich für das Warmgesenkschmieden auf als die meisten Alpha-Beta-Legierungen, was die Eignung für Near-Net-Shape-Verfahren verbessert
• Bauteile für hohe Wechselbeanspruchung: Bauteile, die zyklischen Belastungen ausgesetzt sind; Ti-1023 gemäß AMS 4984 erreicht eine Ermüdungsfestigkeit von ca. 945 MPa (137 ksi) bei 10⁷ Zyklen

Normen und Zertifizierungen

AMS-Spezifikationen für Schmiedeteile aus Ti-1023

Alle vier AMS-Spezifikationen für diese Legierung gelten für Schmiedeteile. Stangen und Knüppel werden als Schmiedematerial geliefert, das den Anforderungen dieser Spezifikationen hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung der Legierung und der Schmelzbedingungen entspricht.

Weitere Standards und Identifikatoren

Qualitätssystem

Das Material wird im Rahmen eines nach folgenden Normen zertifizierten Qualitätsmanagementsystems hergestellt und geliefert:

• ISO 9001:2015
• AS9100 Rev. D (Qualitätsmanagementsystem für die Luft- und Raumfahrt)

Alle Lieferungen enthalten ein Werksprüfzeugnis (MTC) gemäß EN 10204 3.1, das Folgendes umfasst:

• Ergebnisse der chemischen Analyse (wärme-/chargenspezifisch)
• Ergebnisse der mechanischen Prüfungen (Streckgrenze, Streckgrenze bei 0,2 MPa, Dehnung)
• Härteuntersuchung
• Konformitätsbescheinigung gemäß den geltenden chemischen Anforderungen von AMS

Die Dokumentation zur Erstmusterprüfung (FAI) ist auf Anfrage erhältlich.

Häufig gestellte Fragen

Was ist die Titanlegierung Ti-1023?

Ti-1023 ist eine Near-Beta-Titanlegierung (metastabile Beta-Legierung) mit der Nennzusammensetzung Ti-10V-2Fe-3Al (10 Gew.-% Vanadium, 2 Gew.-% Eisen, 3 Gew.-% Aluminium), UNS R56410. Ursprünglich von TIMET unter dem Handelsnamen TIMETAL 10-2-3 entwickelt, wurde sie für dickwandige Schmiedeteile in der Luft- und Raumfahrt konzipiert, die eine Durchhärtung erfordern – eine Eigenschaft, die Alpha-Beta-Legierungen wie Ti-6Al-4V bei großen Querschnitten nicht bieten können. Nach der chinesischen Norm wird sie außerdem als TB6 bezeichnet.

Welche AMS-Spezifikationen gelten für Ti-1023?

Die vier AMS-Spezifikationen für Ti-1023 (AMS 4983, 4984, 4986 und 4987) beziehen sich alle auf Schmiedeteile. AMS 4984 (mindestens 173 ksi Zugfestigkeit, max. 76 mm Querschnitt) wird am häufigsten für hochfeste Anwendungen wie Fahrwerke spezifiziert. AMS 4986 (160 ksi, maximaler Querschnitt 102 mm) und AMS 4987 (140 ksi, maximaler Querschnitt 102 mm) bieten eine bessere Bruchzähigkeit bei geringerer Festigkeit für schadensresistente Konstruktionen. Stangen und Knüppel werden als Schmiedegut geliefert, das die Anforderungen dieser Spezifikationen hinsichtlich der Legierungszusammensetzung und der Schmelzbedingungen erfüllt.

Wofür wird Titan der Sorte Ti-1023 verwendet?

Ti-1023 wird in erster Linie für Fahrwerke in der Luft- und Raumfahrt sowie für kritische Strukturen der Flugzeugzelle verwendet. Die am häufigsten genannte Anwendung ist das Hauptfahrwerk der Boeing 777, bei dem Ti-1023 den Stahl 4340M ersetzte und das Gewicht des Hauptfahrwerks um etwa 270 kg reduzierte. Auch beim Militärtransportflugzeug C-17 Globemaster III und beim Hubschrauber Super Lynx (Schmiedeteile für den Hauptrotorkopf) kommt Ti-1023 in tragenden Strukturen zum Einsatz. Die Legierung wird überall dort vorgeschrieben, wo gleichzeitig eine Zugfestigkeit von über 1.100 MPa, eine gute Durchhärtbarkeit dicker Querschnitte und eine Schmiedbarkeit nahe der Endform erforderlich sind.

Wie hoch ist die Dichte von Ti-1023?

Die Dichte von Ti-1023 (Ti-10V-2Fe-3Al) beträgt 4,65 g/cm³ (0,168 lb/in³). Diese ist aufgrund des hohen Vanadiumgehalts etwas höher als die von Ti-6Al-4V (4,43 g/cm³), doch die deutlich höhere Zugfestigkeit der Legierung im ausgehärteten Zustand (1.193+ MPa gegenüber mindestens ~895 MPa bei Ti-6Al-4V gemäß AMS 4928) führt zu einer überlegenen spezifischen Festigkeit für dickwandige, tragende Konstruktionsanwendungen.

Was ist der Unterschied zwischen AMS 4984, AMS 4986 und AMS 4987?

Bei allen drei handelt es sich um Schmiedespezifikationen für Ti-1023. Sie unterscheiden sich hinsichtlich der Alterungstemperatur und des daraus resultierenden Verhältnisses von Festigkeit und Zähigkeit. AMS 4984 verwendet die niedrigste Alterungstemperatur (482–510 °C) und erreicht die höchste Festigkeit (mindestens 173 ksi Zugfestigkeit, 40 ksi·√in Bruchzähigkeit) bei Querschnitten bis zu 76 mm. AMS 4986 verwendet eine mittlere Alterungstemperatur (510–538 °C) für ein ausgewogenes Verhältnis von Festigkeit (160 ksi) und Zähigkeit (55 ksi·√in) bei Querschnitten bis zu 102 mm. AMS 4987 nutzt die höchste Alterungstemperatur (566–593 °C), um bei Querschnitten bis zu 102 mm die beste Zähigkeit (80 ksi·√in) bei der niedrigsten Festigkeit (140 ksi) zu erzielen.

Wie hoch ist die Beta-Transus-Temperatur von Ti-1023?

Die Beta-Transus-Temperatur von Ti-1023 (Ti-10V-2Fe-3Al) liegt bei etwa 800 °C (1.472 °F). Bei der Lösungsglühbehandlung nach AMS 4984 werden die Schmiedeteile mindestens 30 Minuten lang auf 28–56 °C (50–100 °F) unterhalb des Beta-Transus – typischerweise 744–772 °C – für mindestens 30 Minuten gehalten und anschließend in Wasser abgeschreckt, um die primäre Alpha-Phase vor der Alterung zu erhalten. Ein Überschreiten des Beta-Transus während der Lösungsglühung führt zu einer vollständig lamellaren Mikrostruktur mit verminderter Ermüdungsfestigkeit.

Ist Ti-1023 schweißbar?

Ti-1023 im geglühten Zustand kann mittels GTAW (WIG) unter Inertgas-Schutz verbunden werden; das Elektronenstrahlschweißen (EB) ist das bevorzugte Verfahren für konstruktive Verbindungen. Ti-1023 im lösungsgeglühten und gealterten Zustand (AMS 4984) wird im Allgemeinen nicht für das Schmelzschweißen in strukturellen Anwendungen empfohlen, da die vom Schweißprozess betroffene Zone nicht in situ nachgealtert werden kann, um die ursprünglichen mechanischen Eigenschaften wiederherzustellen. Diffusionsschweißen und Inertgas-/Reibschweißen werden in speziellen Fügeverfahren der Luft- und Raumfahrt eingesetzt.

Sind Ti-1023-Stangen/Blöcke ab Lager lieferbar oder werden sie auf Bestellung gefertigt?

Standarddurchmesser im Bereich von 25,4–76,2 mm (1,0–3,0 Zoll) werden üblicherweise im geglühten Zustand vorrätig gehalten, um einen schnellen Versand als Schmiedematerial zu gewährleisten. Größere Durchmesser und STA-behandelte Stangen werden in der Regel auf Bestellung geliefert, wobei die Lieferzeiten je nach Durchmesser und Menge zwischen 4 und 12 Wochen betragen. Bitte wenden Sie sich an das Vertriebsteam und geben Sie Durchmesser, Länge, Zustand und Menge an, um die aktuelle Verfügbarkeit zu erfahren und ein formelles Angebot zu erhalten.