Die Wärmebehandlung von Titan variiert je nach Legierungssorte erheblich. Die kommerziell reinen (CP) Sorten 1–4 können lediglich geglüht (538–760 °C / 1000–1400 °F) und spannungsfrei gemacht werden – eine Festigkeitssteigerung durch Wärmebehandlung ist nicht möglich. Die Legierung der Güteklasse 5 (Ti-6Al-4V), die am häufigsten verwendete Legierung, kann bei 691–760 °C (1275–1400 °F) geglüht oder bei 913–954 °C (1675–1750 °F) und bei 524–552 °C (975–1025 °F) gealtert werden, um eine um ca. 20% höhere Festigkeit als im geglühten Zustand zu erreichen. Die kritische Referenztemperatur für jede Titanlegierung ist die Beta-Transus—eine Erwärmung über diesen Wert hinaus verändert die Mikrostruktur und die Eigenschaften grundlegend. Jede Wärmebehandlung über 538 °C (1000 °F) erfordert gemäß AMS 2801 ein Vakuum, Inertgas oder eine Schutzatmosphäre.
Kurzübersicht: Wärmebehandlungstemperaturen für Titan nach Güteklasse
Die Tabelle, die jeder Titaningenieur als Lesezeichen gespeichert haben sollte. Alle Temperaturangaben stammen aus den Datenblättern der ATI-Hersteller und den Anforderungen der Norm AMS 2801.
| Klasse | Legierung | Beta Transus | Stressabbau | Glühtemperatur | Glühdauer | STA-Option |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Klasse 1 | CP Ti (0,18% O max) | ~888 °C / 1630 °F | 538–593 °C / 1000–1100 °F | 538–704 °C / 1000–1300 °F | ½–2 Std., Klimaanlage | Nein |
| Klasse 2 | CP Ti (0,25% O max) | ~913 °C / 1675 °F | 538–593 °C / 1000–1100 °F | 649–760 °C / 1200–1400 °F | ½–2 Std., Klimaanlage | Nein |
| Klasse 3 | CP Ti (0,35% O max) | ~921 °C / 1690 °F | 538–593 °C / 1000–1100 °F | 649–760 °C / 1200–1400 °F | ½–2 Std., Klimaanlage | Nein |
| Klasse 4 | CP Ti (0,40% O max) | ~949 °C / 1740 °F | 538–593 °C / 1000–1100 °F | 649–760 °C / 1200–1400 °F | ½–2 Std., Klimaanlage | Nein |
| Klasse 5 | Ti-6Al-4V | 995 °C ± 14 °C / 1820 °F ± 25 °F | 538–649 °C / 1000–1200 °F | 691–760 °C / 1275–1400 °F | ½–2 Std., AC oder FC | Ja (STA) |
| Klasse 23 | Ti-6Al-4V ELI | 977 °C ± 4 °C / 1790 °F ± 25 °F | 482–649 °C / 900–1200 °F | 704–732 °C / 1300–1350 °F | 1–8 Std., Wechselstrom | Ja (selten) |
AC = Luftkühlung, FC = Ofenkühlung. Quellen: Technische Datenblätter von ATI; AMS 2801D; Datenblatt zu CP Ti von Carpenter Technology.
Das allerwichtigste Prinzip: Bei den Güten 5 und 23 muss die Glühtemperatur mindestens 35–80 °C unterhalb des Beta-Transus liegen. Wird dieser Grenzwert überschritten, entsteht beim Abkühlen eine vollständig umgewandelte Beta-Mikrostruktur – ein Teil, das gröber, zäher und weniger ermüdungsfest ist, als es für die meisten Anwendungen erforderlich ist.
Das Phänomen „Beta Transus“ verstehen – Warum diese Temperatur alles verändert
Der Beta-Transus ist der wichtigste thermische Bezugspunkt in der Titanmetallurgie. Jeder Parameter der Wärmebehandlung – Glühen, Lösungsglühen, Spannungsarmglühen – wird in Bezug darauf definiert.
Reines Titan durchläuft bei 882,5 °C eine allotropische Umwandlung: Unterhalb dieser Temperatur weist die Kristallstruktur eine hexagonal dicht gepackte Gitterstruktur (HCP) auf, die als Alpha-Phase. Darüber geht die Struktur in eine kubisch-raumzentrierte (BCC) Struktur über, die Beta-Phase. Wenn man Legierungselemente – Aluminium, Vanadium, Sauerstoff, Zinn – hinzufügt, verschiebt sich diese Umwandlungstemperatur.
Bei Ti-6Al-4V liegt der Beta-Transus bei etwa 995 °C (1820 °F), mit einer vom Hersteller angegebenen typischen Toleranz von ±14 °C (±25 °F). Das bedeutet, dass eine bestimmte Charge von Ti-6Al-4V bei Temperaturen zwischen 981 °C und 1009 °C umwandeln kann. Die Produktionsdaten von ATI geben für ihr 6-4-Produkt 999 °C ± 14 °C (1830 °F ± 25 °F) an.
Warum diese Toleranz wichtig ist: Wenn Sie bei 960 °C eine Lösungsglühung durchführen und der Beta-Transus für diese bestimmte Glühung bei 981 °C liegt, befinden Sie sich immer noch unterhalb des Transus und arbeiten im Zweiphasenbereich Alpha+Beta – genau dort, wo Sie für die STA sein wollen. Liegt der Transus jedoch bei 958 °C und Sie befinden sich bei 960 °C, haben Sie ihn überschritten. Der Beta-Anteil bei dieser Temperatur beträgt nun 100%, und die Mikrostruktur nach dem Abkühlen wird völlig anders aussehen.
Aus diesem Grund sieht das ATI-Datenblatt eine Lösungsglühung bei 1675–1750°F (913–954°C) vor – ein Bereich, der bewusst 45–85°C unterhalb des nominalen Beta-Transus festgelegt wurde, um einen ausreichenden Puffer für Temperaturschwankungen zu bieten.
Die Klasse 23 (ELI) weist einen messbar niedrigeren Beta-Transus auf: 977 °C ± 4 °C (1790 °F ± 25 °F). Die strengere ELI-Chemie (geringerer Fe-Gehalt, geringere Interstitialanteile) verschiebt den Transus leicht nach unten. Dies wirkt sich auf alle Wärmebehandlungsparameter aus – das Glühen, das Lösungsglühfenster und die geltenden AMS-Spezifikationen unterscheiden sich alle von denen der Standardgüte 5.
CP-Titan-Sorten 1–4 sind reine Alpha-Legierungen. Ihr Beta-Transus reicht von 888 °C bei der Güteklasse 1 bis zu 949 °C bei der Güteklasse 4 (ein höherer Sauerstoff- und Eisengehalt stabilisiert die Beta-Phase und erhöht den Transus). Da diese Güteklassen keine Beta-stabilisierenden Elemente wie Vanadium enthalten, gibt es während der Alterung nichts, was ausfallen könnte — Es ist keine STA möglich.
Die vier Arten der Wärmebehandlung von Titan – und was sie jeweils bewirken
| Behandlung | Temperaturzone | Hauptzweck | Betroffene Klassenstufen |
|---|---|---|---|
| Stressabbau | 482–649 °C (900–1200 °F) — deutlich unterhalb der Glühtemperatur | Abbau von Restspannungen, die durch Zerspanung, Umformung und Schweißen entstehen | Alle Klassenstufen |
| Glühen | 538–760 °C je nach Sorte — unterhalb des Beta-Transus | Optimierung von Duktilität, Zähigkeit und Maßhaltigkeit | Alle Klassenstufen |
| Solution Treat + Age (STA) | ST: 913–954 °C, anschließend Alterung: 480–595 °C | Feste maximieren (bis zu ~201 TP3T gegenüber geglühtem Material) | Güteklasse 5, Güteklasse 23 (selten), einige Beta-Legierungen |
| Beta-Glühen | Oberhalb von Beta-Transus, anschließend kontrollierte Abkühlung | Maximierung der Bruchzähigkeit und der Risswachstumsbeständigkeit | Klasse 5, Beta-Legierungen |
Die meisten Bauteile aus der Luft- und Raumfahrt sowie aus der Industrie werden in einem von zwei Zuständen angeliefert: walzgeglüht (AMS 4928 für Ti-6Al-4V-Stangen/Knüppel) oder lösungsgeglüht und gealtert (AMS 4965). Die Wahl hängt von der erforderlichen Festigkeit, der Querschnittsgröße und davon ab, ob die Geometrie der Wasserabschreckung bei der Lösungsglühung standhalten kann.
Glühen von Titan: Walzglühen, Vollglühen und Duplexglühen
Durch das Standardglühen von Titan wird ein stabiler, duktiler Ausgangszustand erreicht – doch der Begriff “Glühen” umfasst mindestens drei unterschiedliche Verfahren, die jeweils zu unterschiedlichen Ergebnissen führen.
Walzglühen
Die gängigste Zustandsbezeichnung für Ti-6Al-4V im Handel. Das Material wird vom Hersteller während oder nach der Erstverarbeitung geglüht – typischerweise bei 700–790 °C (1292–1454 °F) für Stangen und Bleche. AMS 4928 gilt für Stangen, Knüppel und Schmiedeteile aus Ti-6Al-4V im geglühten Zustand mit folgenden Mindesteigenschaften: 895 MPa (130 ksi) Streckgrenze und 825 MPa (120 ksi) Fließgrenze bei einer Dehnung von 10%.
Für CP-Titan (Stufen 1–4): Durch das Glühen entsteht eine vollständig rekristallisierte, gleichachsige Alpha-Struktur. Korngröße und Festigkeit lassen sich durch Variieren der Glühtemperatur innerhalb des Bereichs anpassen – niedrigere Temperaturen führen zu feineren Körnern und höherer Festigkeit; höhere Temperaturen vergröbern die Körner und maximieren die Duktilität.
Vollglühen / Rekristallisationsglühen
Bei Ti-6Al-4V, das stark kaltverformt wurde oder aufgrund aggressiver Bearbeitung eine verformte Mikrostruktur aufweist, wird ein vollständiger Rekristallisationsglühvorgang durchgeführt: 704–760 °C (1300–1400 °F), 2 Stunden, an der Luft oder im Ofen abkühlen lassen. Dadurch entsteht eine vollständiger rekristallisierte, gleichachsige Alpha-Struktur als bei einer Walzglühung.
Duplex-Glühen
Beim Duplex-Glühen werden zwei Temperaturschritte eingesetzt, um das Gleichgewicht zwischen Alpha- und transformiertem Beta-Phasen zu optimieren. Forschungsdaten von TotalMateria und Scientific Reports zeigen, dass durch die Duplex-Verarbeitung von Ti-6Al-4V – bei der ein Lösungsglühschritt bei höherer Temperatur mit einer Stabilisierung bei niedrigerer Temperatur kombiniert wird – Festigkeitssteigerungen von bis zu 25%, über Standard-Walzglühen und dabei eine ausreichende Duktilität zu gewährleisten.
Das Duplex-Verfahren: Zunächst Erhitzen auf den oberen Alpha-Beta-Bereich (~925 °C), Abkühlen an der Luft oder im Ofen, anschließend Halten bei einer niedrigeren Temperatur (~700 °C) zur Stabilisierung der Mikrostruktur. Dadurch entsteht eine bimodale (gleichachsige primäre Alpha-Phase + umgewandelte Beta-Phase) Mikrostruktur, die Ermüdungsfestigkeit und Bruchzähigkeit in Einklang bringt.
Beta-Glühen
Erwärmt man Ti-6Al-4V über seinen Beta-Transus (~995 °C) hinaus und lässt es anschließend langsam abkühlen, entsteht eine vollständig lamellare “Widmanstätten”-Alpha-Beta-Mikrostruktur. Das Beta-Glühen maximiert die Bruchzähigkeit und die Risswachstumsbeständigkeit auf Kosten einer geringeren Streckgrenze und einer geringeren Dauerfestigkeit. Es wird für dickwandige Bauteile in Drehflüglern und bestimmten Anwendungen im Flugzeugbau verwendet, bei denen die Zähigkeit gegenüber der Spitzenfestigkeit Vorrang hat.
Wärmebehandlung von Ti-6Al-4V: Die Parameter, die Ihre Eigenschaften bestimmen
Die Lösungsglühbehandlung (ST) ist der erste Schritt des STA-Verfahrens – und die hier gewählten Parameter bestimmen die endgültige Mikrostruktur und Festigkeit stärker als jede andere Variable.
Das „Solution Treat“-Fenster
Gemäß den Produktionsdaten von ATI und den Anforderungen der Norm AMS 4965 liegt der Behandlungsbereich für Ti-6Al-4V bei 913–954 °C (1675–1750 °F), mindestens 1 Stunde lang gehalten. Einige Quellen geben den Temperaturbereich mit einem Startwert von 904 °C (1660 °F) an – im ATI-Datenblatt wird für das jeweilige Produkt 913 °C als untere Grenze angegeben.
Dieser Bereich wurde bewusst 45–80 °C unterhalb des nominalen Beta-Transus (~995 °C) festgelegt. Bei 913–954 °C besteht die Mikrostruktur zu etwa 70–85% aus der Alpha-Phase, während bei dieser Temperatur 15–30% der Beta-Phase vorhanden sind. Bei einer Wasserabschreckung aus diesem Bereich wandelt sich die Beta-Phase entweder in:
- Martensit (α′) — sofern die Abkühlgeschwindigkeit hoch genug ist (bei Wasserabschreckung ist dies in den meisten Abschnitten ≤ 25 mm der Fall)
- Widmanstätten-Alpha+Beta — wenn die Abkühlung langsamer verläuft, und zwar in dickeren Abschnitten, in denen der Kern nicht schnell genug abkühlen kann
Die Martensit-/Beta-Restphase bildet dann den übersättigten Ausgangspunkt für die Aushärtung.
Warum man oberhalb des Beta-Transus keine medikamentöse Behandlung durchführen sollte
Eine Erwärmung auf über ~995 °C zur Lösungsglühung wird manchmal in der Forschung und für bestimmte, auf Zähigkeit ausgerichtete Anwendungen durchgeführt (sogenannte “Beta-Lösungsglühung”), wird jedoch in der Standardfertigung für die Luft- und Raumfahrt bei festigkeitskritischen Bauteilen vermieden. Oberhalb der Transus-Temperatur löst sich das gesamte Alpha auf. Die Beta-Körner vergröbern sich deutlich. Bei anschließender Abkühlung und Alterung entsteht eine gröbere lamellare Mikrostruktur, die eine geringere Ermüdungsfestigkeit und eine geringere Streckgrenze aufweist als eine Alpha-Beta-STA.
AMS 4965 legt den Zustand „geglüht + wärmebehandelbar“ ausdrücklich fest, um eine versehentliche Übertemperatur zu verhindern.
Abkühlgeschwindigkeit ausgehend von der Lösungstemperatur
Die Wasserabschreckung ist der Standard für Ti-6Al-4V STA. Die Polymerabschreckung ist eine zulässige Alternative für Bauteile, die empfindlich gegenüber Abschreckverformungen sind, jedoch muss die Abschreckgeschwindigkeit gleichwertig sein – was durch Prüfungen der mechanischen Eigenschaften bestätigt werden muss.
Die Luftkühlung ausgehend von der Lösungstemperatur beträgt nicht ausreichend um die für die Ausscheidungshärtung erforderliche Beta-/Martensitphase zu erhalten. Luftgekühltes Material aus dem ST-Temperaturbereich weist eine Mikrostruktur auf, die der eines Hochtemperaturglühvorgangs ähnelt – duktil, aber nicht vollständig gehärtet.
Querschnittsgröße – Die Härtbarkeitsgrenze
Das ist der Punkt, der viele Ingenieure überrascht: Ti-6Al-4V STA entfaltet seine volle Wirksamkeit nur bei Querschnitten mit einem Durchmesser oder einer Dicke von bis zu etwa 15–25 mm (0,6–1,0 Zoll). Darüber hinaus kann sich der Kern des Querschnitts während der Wasserabschreckung nicht schnell genug abkühlen, um die Beta-Umwandlung in das Gleichgewichtszustand Alpha+Beta vollständig zu unterdrücken. Das Ergebnis ist ein Eigenschaftsgradient – eine höhere Festigkeit an der Oberfläche als im Kern.
In den technischen Daten von ATI heißt es: “Die besten Eigenschaften im STA-Zustand werden bei kleinen Querschnitten erzielt.” Auch TIMET weist auf Einschränkungen der Härtbarkeit bei dickeren Querschnitten hin. Wenn Sie ein Befestigungselement aus Ti-6Al-4V konstruieren (typischerweise mit einem Durchmesser von 10–15 mm), eignet sich STA gut. Wenn Sie STA für eine 50-mm-Welle spezifizieren, müssen Sie damit rechnen, dass die Eigenschaften im Kern hinter den Mindestanforderungen der AMS 4965 zurückbleiben – selbst wenn der Ofenzyklus perfekt abgelaufen ist.
Alterung von Ti-6Al-4V: Umwandlung des Abschreckpotenzials in tatsächliche Festigkeit
Erst durch die Aushärtung entfaltet STA Ti-6Al-4V seine eigentliche Festigkeit. Die Behandlungslösung sorgt lediglich für die Bildung der Mikrostruktur; die Alterung erledigt den Rest.
Nach dem Wasserabschrecken von der Lösungsglühtemperatur enthält Ti-6Al-4V ein übersättigtes Gemisch aus zurückbleibendem Beta und/oder Martensit (α′). Dabei handelt es sich um metastabile Phasen mit erheblicher gespeicherter Energie. Durch Alterung bei der richtigen Temperatur wird eine kontrollierte Zersetzung ausgelöst: Martensit zersetzt sich in feines Alpha und Beta; das Rest-Beta scheidet feines sekundäres Alpha (αs) in der gesamten Matrix aus. Diese feinen Ausscheidungen sind die Ursache für die Festigkeitssteigerung.
Standard-Alterungsparameter
Laut Angaben von ATI:
- Temperatur: 524–552 °C (975–1025 °F)
- Zeit: 4–8 Stunden
- Kühlung: Luftkühlung
Ein breiteres Spektrum aus Quellen von TIMET und der Branche: 480–595 °C (900–1100 °F), 1–24 Stunden. Das ATI-Fenster ist enger und stellt den optimalen Bereich für typische Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt dar.
Niedrigere Alterungstemperaturen (480–500 °C) Sie führen zu feineren Ausscheidungen und einer höheren Spitzenfestigkeit, allerdings auf Kosten einer gewissen Duktilität. Geeignet für hochbelastete Verbindungselemente.
Höhere Alterungstemperaturen (570–595 °C) Sie weisen eine gröbere Alpha-Struktur sowie eine bessere Duktilität und Bruchzähigkeit auf, bei einer etwas geringeren Zugfestigkeit. Sie werden für Bauteile verwendet, die Schlagfestigkeit erfordern.
Überalterung (über 595 °C über längere Zeiträume) führt zu einer Vergröberung der Alpha-Ausscheidungen, was die Festigkeit verringert, ohne nennenswerte Vorteile hinsichtlich der Duktilität zu bieten. Eine Alterung bei Temperaturen über 595 °C dient im Grunde eher der Spannungsentlastung als der Festigkeitssteigerung.
Was STA tatsächlich bewirkt – Zahlen zum Immobilienmarkt
Der geglühte Zustand (AMS 4928) weist folgende Mindestanforderungswerte auf: 895 MPa Streckgrenze / 825 MPa Fließgrenze / 10% Dehnung. Mit STA nach AMS 4965 werden die Mindestanforderungen auf 1103 MPa Streckgrenze / 1034 MPa Fließgrenze / 8% Dehnung — ein Anstieg der Festigkeit um etwa 23% bei einer Verringerung der Mindestdehnung um ~2%.
Daten aus „Scientific Reports“ (2023) bestätigen, dass die STA-Verarbeitung in der Regel eine ~20% Steigerung der Zugfestigkeit Glühen nach dem Fräsen bei Ti-6Al-4V.
Aus diesem Grund werden Befestigungselemente für die Luft- und Raumfahrt, Raketentriebwerksgehäuse, Kompressorscheiben und andere hochbelastete Bauteile in der STA-Zustandsspezifikation vorgeschrieben: Das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht ist etwa 23% besser als im geglühten Zustand, bei gleichzeitig voll akzeptabler Duktilität.
Spannungsabbau vs. Glühen – Wann man was braucht
Spannungsabbau und Glühen werden oft verwechselt, da bei beiden Verfahren Titan auf hohe Temperaturen erhitzt wird. Der Unterschied liegt darin, was man damit beheben möchte.
Stressabbau
Beim Spannungsabbau wird ein Problem behoben: Restspannungen, die durch Bearbeitung, Kaltumformung, Schweißen oder Richten entstehen. Der Temperaturbereich wird bewusst auf unterhalb des Glühbereichs — typischerweise 482–649 °C (900–1200 °F) bei Ti-6Al-4V — damit sich die Mikrostruktur nicht wesentlich verändert. Dabei werden innere Spannungen abgebaut, ohne die Korngestruktur oder das Phasengleichgewicht zu verändern.
AMS 2801 schreibt die Spannungsentlastung von Ti-6Al-4V-Bauteilen bei 593 °C (1100 °F) für 2 Stunden mit Luftkühlung vor. Dies ist der Standardparameter für die Spannungsentlastung nach dem Schweißen und nach der Grobbearbeitung von Präzisionsteilen für die Luft- und Raumfahrt.
Bei CP-Titan (Güteklassen 1–4) erfolgt die Spannungsentlastung in der Regel bei 538–593 °C (1000–1100 °F) für 30 Minuten, anschließend erfolgt die Abkühlung an der Luft.
Wann sollte man Spannungsabbau anstelle von Glühen anwenden:
- Nach dem Schweißen, vor der Endbearbeitung, wenn keine vollständige Duktilität wiederhergestellt werden muss
- Zwischen den Formungsdurchgängen, um eine weitere Kaltumformung zu ermöglichen
- Bei wärmebehandelten (STA) Bauteilen, bei denen eine Spannungsentlastung erforderlich ist, ohne dass die Auslagerungsfestigkeit verloren geht – dies ist der kritische Fall. Wenn Sie ein STA-Bauteil vollständig glühen, zerstören Sie die Auslagerungsbehandlung. Durch eine Spannungsentlastung bleiben Sie sicher unterhalb des Auslagerungstemperaturbereichs, sodass die Eigenschaften erhalten bleiben.
Glühen
Das Glühen geht noch einen Schritt weiter: Es bewirkt eine Rekristallisation der Mikrostruktur, stellt die volle Duktilität wieder her und beseitigt alle Restspannungen. Es ist geeignet, wenn:
- Das Material wurde stark kaltverformt und muss in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzt werden.
- Für nachfolgende Umformvorgänge benötigen Sie maximale Duktilität.
- Das Fertigteil erfordert eine Maßhaltigkeit, die nur eine vollständig geglühte Mikrostruktur gewährleisten kann.
Der Nachteil des Glühens gegenüber dem Spannungsabbau: Es dauert länger, erfordert dieselbe Schutzatmosphäre und – was entscheidend ist – wenn man ein STA-Bauteil glüht, geht die gesamte durch die Alterung erzielte Festigkeitssteigerung verloren. Das Bauteil kehrt im Wesentlichen in den glühgeglühten Ausgangszustand zurück.
Praktische Entscheidungsregel: Befindet sich das Bauteil im geglühten Zustand und soll es bearbeitet werden, reicht in der Regel eine Spannungsentlastung aus. Wurde das Bauteil kaltgeformt oder weist es starke mikrostrukturelle Verformungen auf, sollten Sie es glühen. Befindet es sich im STA-Zustand und ist eine Spannungsreduzierung erforderlich, bleiben Sie im Bereich von 480–538 °C (unterhalb des Alterungsbereichs) und führen Sie eine Niedertemperatur-Spannungsentlastung durch.
Atmosphärenkontrolle und Alpha-Gehäuse – Der Kontaminationsfehler, der zu einem Nichtbestehen der Prüfungen führt
Der Alpha-Fall ist die häufigste Ursache für Ausschuss aufgrund von Wärmebehandlung bei Titanbauteilen in der Luft- und Raumfahrtindustrie – und er lässt sich vollständig vermeiden.
Was ist Alpha Case?
Wird Titan an der Luft auf über etwa 538 °C erhitzt, reagiert es heftig mit Sauerstoff und Stickstoff. Der Sauerstoff diffundiert in die Oberfläche ein und stabilisiert die Alpha-Phase bis zu einer Tiefe, die je nach Temperatur und Zeit zwischen 0,025 und 0,25 mm liegen kann. Diese durch Sauerstoff stabilisierte Oberflächenschicht wird als Alpha-Fall: Es ist härter, spröder und weniger duktil als das darunterliegende Substrat.
Die Alpha-Phase ist für das bloße Auge praktisch unsichtbar. Sie hat keinen Einfluss auf die Maßprüfung, ist auf Koordinatenmessgeräten nicht erkennbar und kann die Sichtprüfung bestehen. Sie wird erst im metallurgischen Querschnitt oder – im schlimmsten Fall – bei Ermüdungsversuchen oder im Betrieb sichtbar, wenn sich in der spröden Zone ein Oberflächenriss bildet.
Für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt legt die Norm AMS 2801 zwei wichtige Temperaturgrenzwerte fest:
- Über 204 °C an der Luft, beginnt die Oberflächenkontamination – gemäß AMS 2801, Anmerkung 8.5, dürfen Teile ab diesem Punkt nicht mehr der freien Luft ausgesetzt werden.
- Teile mit Nettoabmessungen dürfen nicht auf über 538 °C (1000 °F) erhitzt werden. in Luftöfen oder Öfen mit nicht inerter Atmosphäre, sofern sie nicht mit einer Schutzschicht versehen sind. Eine dabei entstehende Alpha-Schicht muss vor der Abnahme mechanisch oder chemisch entfernt werden.
- Vakuumniveau Für die Wärmebehandlung von Titan gemäß AMS 2801 sollte der Vakuumgrad ≤ 0,1 µm Hg (10⁻⁴ Torr) betragen. Viele Betreiber kommerzieller Vakuumöfen halten noch strengere Werte ein – Solar Atmospheres und ähnliche Betriebe führen die Titanverarbeitung bei Vakuumgraden durch, die deutlich unter diesem Mindestwert liegen.
Praktische Auswirkungen
Zum Spannungsabbau bei Temperaturen von bis zu 538 °C ist ein Ofen mit Luftatmosphäre technisch zulässig – man befindet sich hier an der Schwelle, an der die Oxidation noch beherrschbar ist. In der Praxis verarbeiten die meisten Wärmebehandler jedoch sämtliches Titan im Vakuum, um jegliches Risiko auszuschließen.
Für das Glühen (691–760 °C bei Ti-6Al-4V) und die Lösungsglühbehandlung (913–954 °C), Ein Vakuum oder eine Inertgasatmosphäre ist unabdingbar. Die Wachstumsrate der Alpha-Hülle steigt oberhalb von 700 °C dramatisch an. Wird die Lösungsglühung von Ti-6Al-4V ohne Schutzatmosphäre an der Luft durchgeführt, kommt es zu einer starken Bildung der Alpha-Hülle und zu Bauteilen, die die Ermüdungsprüfung nicht bestehen.
Speziell für AM/LPBF-Bauteile gilt: Aufgrund der Net-Shape-Geometrie ist eine Entfernung der Alpha-Schicht durch Zerspanung nicht praktikabel. Sowohl ASTM F3301 als auch AMS 2801 schreiben aus diesem Grund vor, dass die Wärmebehandlung von LPBF-Ti-6Al-4V unter Vakuum erfolgen muss.
Wärmebehandlungsbedingungen und AMS-Spezifikationen – Welche Spezifikation kommt in die Zeichnung?
Eine der häufigsten Fragen von Ingenieuren, die noch keine Erfahrung mit Titan haben, lautet: “Welche AMS-Spezifikation soll ich angeben?” Die Antwort hängt von der Produktform und dem vorgesehenen Einsatzzustand ab.
| AMS-Spezifikation | Produkt Form | Zustand | Legierung |
|---|---|---|---|
| AMS 4928 | Stangen, Knüppel, Schmiedeteile | Geglüht | Ti-6Al-4V (Güteklasse 5) |
| AMS 4965 | Stangen, Schmiedeteile | Mit Lösung behandelt + gealtert | Ti-6Al-4V (Güteklasse 5) |
| AMS 4967 | Stangen, Schmiedeteile | geglüht, wärmebehandelbar | Ti-6Al-4V (Güteklasse 5) |
| AMS 4911 | Blech, Band, Platte | Geglüht | Ti-6Al-4V (Güteklasse 5) |
| AMS 4930 | Stangen, Draht, Knüppel, Ringe | Geglüht | Ti-6Al-4V ELI (Güte 23) |
| AMS 4931 | Stangen, Blöcke, Ringe | Geglüht | Ti-6Al-4V ELI (Güte 23) |
| AMS 4921 | Stangen, Draht, Schmiedeteile | Geglüht | CP Ti-Güteklassen 1–4 |
| AMS 2801 | (Prozessspezifikation) | Wärmebehandlung von Bauteilen | Alle Titanlegierungen |
Wichtige Unterscheidung: AMS 4928, 4965 und 4911 sind Materialspezifikationen — sie legen fest, was das Werk ausliefert. AMS 2801 ist ein Prozessspezifikation — Es regelt, wie ein Teilehersteller oder ein Wärmebehandlungsbetrieb die Wärmebehandlung von Bauteilen während der Fertigung durchführt.
Wenn in Ihrer Zeichnung im Materialangabeblock „AMS 4928“ angegeben ist, haben Sie geglühte Ti-6Al-4V-Stangen festgelegt. Wenn Sie zusätzlich eine Spannungsentlastung nach der Bearbeitung (STA) wünschen, benötigen Sie eine separate Prozessanweisung, die auf AMS 2801 verweist und die spezifischen Behandlungsparameter enthält.
Für Hauptauftragnehmer in der Luft- und Raumfahrt ist AMS 4967 (“geglüht, wärmebehandelbar”) die übliche Spezifikation für den Einkauf von Rohmaterial, wenn der Teilehersteller die STA an bearbeiteten/geschmiedeten Teilen durchführt. Der Stab wird geglüht geliefert (leicht zu bearbeiten), und der Hersteller wendet den STA-Zyklus nach der Grobbearbeitung an.
Güteklasse 23 (Ti-6Al-4V ELI) – Entscheidende Unterschiede bei der Wärmebehandlung
Die Güteklasse 23 ist nicht einfach nur eine “reinigere Version der Güteklasse 5”. Die ELI-Chemie verändert den Beta-Transus und die Wärmebehandlungsparameter so stark, dass es ein Fehler ist, die Werte der Güteklasse 5 auf Material der Güteklasse 23 anzuwenden.
ELI steht für „Extra-Low Interstitial“. Im Vergleich zum Standard der Klasse 5:
- Sauerstoff-Maximalwert: 0,131 TP3T (gegenüber 0,201 TP3T in Klasse 5)
- Eisen-Maximalwert: 0,25% (gegenüber 0,40%)
- Stickstoff max.: 0,05% (unverändert)
Diese niedrigeren interstitiellen Konzentrationen verringern die Alpha-stabilisierende Wirkung von Sauerstoff und Eisen, wodurch der Beta-Transus auf etwa 977 °C ± 4 °C (1790 °F ± 25 °F) — etwa 18–22 °C unterhalb des Transus der Klasse 5.
Wärmebehandlungsparameter für die Güteklasse 23 (ATI-Daten):
- Glühen: 704–732 °C (1300–1350 °F), 1–8 Stunden, an der Luft abkühlen lassen
- Stressabbau: 482–649 °C (900–1200 °F), 1–4 Stunden, an der Luft abkühlen lassen
- Lösungsbehandlung: Gleiches Fenster wie bei der Güteklasse 5 (904–954 °C), jedoch ergibt der niedrigere Transus eine etwas größere Prozessspanne
Warum die Besoldungsgruppe 23 in der Praxis selten als STA eingestuft wird: Zu den wichtigsten Anwendungsbereichen zählen chirurgische Implantate und orthopädische Hilfsmittel (ASTM F136 gilt für die Güteklasse 23 für Implantate). Bei diesen Anwendungen werden die maximale Bruchzähigkeit und die Ermüdungslebensdauer im geglühten Zustand gegenüber der höheren Festigkeit von STA bevorzugt. Das Glühen bei 704–732 °C führt zu einer feinkörnigen, gleichachsigen Alpha-Struktur mit ausgezeichneter Zähigkeit und Duktilität – genau das, was Knochenschrauben und Hüftschäfte benötigen.
Die Normen AMS 4930 und AMS 4931 gelten für Stangen und Knüppel der Güteklasse 23 im geglühten Zustand. Die Norm ASTM F136 regelt speziell die Güteklasse 23 für chirurgische Implantate.
Titan nach dem LPBF-Verfahren: Anforderungen an die Wärmebehandlung von additiv gefertigten Bauteilen
Wenn Sie mit Titan arbeiten, das mittels Laser-Pulverbettfusion (LPBF) oder gerichteter Energieabscheidung (DED) hergestellt wurde, gelten im Wesentlichen dieselben Wärmebehandlungsregeln wie für geschmiedetes Titan – mit einem entscheidenden Unterschied im Verfahren.
Die Norm ASTM F3301–18a (“Additive Fertigung – Titan 6Al-4V mittels Pulverbettfusion”) legt fest, dass die thermische Nachbehandlung von LPBF-Ti-6Al-4V gemäß AMS 2801. Es gelten also dieselben Temperaturbereiche.
Der wesentliche Unterschied liegt in der Abfolge und der Atmosphäre. LPBF-Bauteile wachsen auf einem Aufbausubstrat (Grundplatte), und während des Druckvorgangs entstehen erhebliche Restspannungen zwischen dem Bauteil und dem Substrat. Die Reihenfolge ist entscheidend:
- Spannungsabbau vor dem Entfernen des Substrats. Den Spannungsarmungszyklus AMS 2801 anwenden (typischerweise 593 °C / 1100 °F, 2 Stunden, Vakuum) solange das Bauteil noch am Substrat befestigt ist. Dadurch wird der Großteil der Restspannung auf kontrollierte Weise abgebaut.
- Nach dem Spannungsabbau vom Substrat entfernen. Draht-EDM oder Zerspanung.
- Anneal oder STA wie in der Anwendung vorgeschrieben.
Wird dieser Vorgang in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt – also wird das Bauteil vor der Spannungsentlastung vom Substrat entfernt –, besteht die Gefahr von Verformungen oder Rissen, da die inneren Spannungen unkontrolliert abgebaut werden.
Die Atmosphäre ist für LPBF Ti-6Al-4V unverzichtbar: Da beim LPBF-Verfahren net-shape-Teile mit komplexen Oberflächen hergestellt werden, die sich nicht ohne Weiteres zur Entfernung der Alpha-Schicht bearbeiten lassen, Alle Wärmebehandlungen über 538 °C müssen im Vakuum erfolgen. (≤ 0,1 µm Hg gemäß AMS 2801). Die Bearbeitung in einem Luftofen ist für LPBF-Titanbauteile nicht zulässig.
Damit scheiden alle Wärmebehandlungsbetriebe aus, die nicht über Vakuumöfen verfügen. Für Ingenieure, die Wärmebehandlungsdienstleistungen für additiv gefertigtes Titan in Anspruch nehmen möchten, sind die Einhaltung der Norm AMS 2801 und eine angemessene Dokumentation des Vakuumniveaus die Mindestanforderungen.
Häufig gestellte Fragen
Wie hoch ist die Glühtemperatur für Ti-6Al-4V?
Der Standard-Glühbereich für Ti-6Al-4V (Güteklasse 5) beträgt 691–760 °C (1275–1400 °F), für ½ bis 2 Stunden gehalten, gefolgt von einer Abkühlung an der Luft oder im Ofen. AMS 2801 legt 704 °C (1300 °F) / 2 Stunden als Standardwert für das Glühen auf Bauteilebene fest. Temperaturen bis zu 815 °C können unter Schutzatmosphäre angewendet werden, jedoch muss eine eventuelle Verunreinigung (Alpha-Zustand) entfernt werden.
Wie hoch ist die Beta-Transus-Temperatur von Ti-6Al-4V?
Die Beta-Transus-Temperatur von Ti-6Al-4V beträgt ungefähr 995 °C (1820 °F), mit einer vom Hersteller angegebenen Toleranz von ±14 °C (±25 °F). In den Produktionsdaten von ATI für das Produkt 6-4 wird 999 °C ± 14 °C (1830 °F ± 25 °F) angegeben. Jeder Wärmebehandlungsparameter für Ti-6Al-4V – Glühen, Lösungsglühen, Beta-Glühen – wird relativ zu dieser Temperatur definiert. Die Sorte 23 (ELI) weist einen niedrigeren Transus von ~977 °C ± 4 °C auf.
Was versteht man unter Lösungsglühen und Auslagern (STA) bei Titan?
STA ist eine zweistufige Härtungswärmebehandlung für Alpha-Beta-Titanlegierungen. Die Legierung wird zunächst auf eine Temperatur unterhalb des Beta-Transus (913–954 °C für Ti-6Al-4V) erhitzt und mit Wasser abgeschreckt, um eine übersättigte Beta/Martensit-Phase einzuschließen. Anschließend wird sie bei einer niedrigeren Temperatur (524–552 °C für Ti-6Al-4V, 4–8 Stunden) gealtert, um feines sekundäres Alpha auszufällen, wodurch die Zugfestigkeit im Vergleich zum geglühten Zustand um etwa 20% erhöht wird. STA fällt unter die Norm AMS 4965 für Ti-6Al-4V-Stangen und Schmiedeteile.
Kann Titan an der Luft wärmebehandelt werden?
Nur unterhalb von 538 °C (1000 °F). Gemäß AMS 2801 dürfen Titanbauteile ohne Schutzatmosphäre oder Beschichtung keiner Luftexposition bei Temperaturen über 538 °C ausgesetzt werden. Oberhalb dieser Temperatur diffundiert Sauerstoff in die Oberfläche ein und bildet Alpha-Fall — eine harte, spröde, durch Sauerstoff stabilisierte Schicht, die die Ermüdungslebensdauer verringert. Alle Glüh-, Lösungsglüh- und Auslagerungsvorgänge oberhalb von 538 °C müssen im Vakuum (≤ 0,1 µm Hg) oder in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt werden.
Was ist der Unterschied zwischen Spannungsarmglühen und Glühen bei Titan?
Durch das Spannungsarmglühen (482–649 °C für Ti-6Al-4V) werden Restspannungen, die durch Bearbeitung, Schweißen und Umformen entstanden sind, beseitigt, ohne die Mikrostruktur zu verändern. Das Glühen (691–760 °C) geht noch einen Schritt weiter: Es bewirkt eine Rekristallisation der Mikrostruktur und stellt die volle Duktilität wieder her. Befindet sich ein Ti-6Al-4V-Bauteil im STA-Zustand, bleiben durch die Spannungsentlastung die Alterungseigenschaften erhalten; ein Vollglühen zerstört sie.
Welche AMS-Spezifikation gilt für Ti-6Al-4V im lösungsgeglühten und ausgehärteten Zustand?
AMS 4965 gilt für Ti-6Al-4V-Stangen und -Schmiedeteile im lösungsgeglühten und gealterten (STA) Zustand. AMS 4928 gilt für dieselben Produktformen im geglühten Zustand. AMS 2801 ist die Verfahrensspezifikation, die den Wärmebehandlungszyklus selbst regelt und vom Teilehersteller angewendet wird.
Warum lässt sich Titan der Güteklasse 2 nicht durch Wärmebehandlung festigen?
Die Güteklasse 2 ist kommerziell reines (CP) Titan – es enthält keine nennenswerten Beta-stabilisierenden Elemente wie Vanadium. Ohne Beta-Phase bilden sich bei der Alterung keine Ausscheidungen. CP-Titanlegierungen können lediglich geglüht (zum Weichmachen und zur Wiederherstellung der Duktilität) oder spannungsfrei gemacht werden. Die Festigkeitssteigerung muss durch Kaltverformung statt durch Wärmebehandlung erreicht werden.
Was ist der Alpha-Zustand bei Titan und wie lässt er sich verhindern?
Die Alpha-Schicht ist eine sauerstoff- und stickstoffreiche Oberflächenschicht, die entsteht, wenn Titan an der Luft auf über 538 °C erhitzt wird. Sie weist metallurgisch ähnliche Eigenschaften wie das Grundmetall auf, ist jedoch härter und spröder. Vermeidung: Wärmebehandlung gemäß AMS 2801 nur im Vakuum oder unter Inertgas bei Temperaturen über 538 °C durchführen. Nachweis: metallografischer Querschnitt; dickensensitive Ätzung. Beseitigung: mechanische Entfernung (Schleifen) oder chemische Entfernung (Säurebeizen gemäß AMS 2801).
Zusammenfassung: Worauf es bei der Wärmebehandlung von Titan wirklich ankommt
Nachdem ich Tausende von Zertifikaten für die Wärmebehandlung von Ti-6Al-4V durchgearbeitet und dabei mehr als nur ein paar unerwartete Ablehnungen aufgespürt habe, würde ich einem Nachwuchsingenieur, der gerade erst mit Titan anfängt, Folgendes raten:
Der Beta-Transus ist Ihr Bezugspunkt für alles. Beachten Sie dabei die spezifische Wärme des jeweiligen Werkstoffs und nicht nur den Nennwert. Bei Ti-6Al-4V liegt dieser Wert bei etwa 995 °C – überprüfen Sie jedoch den zertifizierten Materialprüfbericht (CMTR) auf den genauen Wärmewert, bevor Sie die Ofentemperaturen für die Lösungsglühung einstellen.
CP-Titan lässt sich nicht durch Wärmebehandlung verfestigen. Wenn bei einer Konstruktion hohe Festigkeit gefordert ist, lautet die Antwort Ti-6Al-4V STA – keine Wärmebehandlung vorgesehen 2.
Oberhalb von 538 °C ist ein Vakuum unverzichtbar. Fehler vom Typ „Alpha“ gehören zu den kostspieligsten in der Luft- und Raumfahrtproduktion: Bauteile können jede Maßprüfung bestehen und dennoch Ausschuss sein. Die Kosten für einen ordnungsgemäßen Vakuumofenzyklus sind verschwindend gering im Vergleich zur Verschrottung fertiger Bauteile oder – schlimmer noch – zu Betriebsausfällen.
Die Größe des Abschnitts schränkt die Wirksamkeit von STA ein. Ti-6Al-4V härtet in Abschnitten von bis zu etwa 15–25 mm vollständig aus. Wenn Ihre Anwendung STA-Eigenschaften in einem Querschnitt von 50 mm erfordert, benötigen Sie einen anderen Konstruktionsansatz.
Zuerst Spannungsabbau, dann Endbearbeitung. Bei komplexen Bearbeitungsteilen sollte nach der Grobbearbeitung eine Spannungsentlastung erfolgen, um vor den Feinschliffschritten aufgestaute Spannungen abzubauen. Diese Vorgehensweise gewährleistet die Einhaltung enger Toleranzen und verhindert Verformungen an dünnen Wänden.
Die Glühtemperaturen für die Güteklasse 23 unterscheiden sich geringfügig von denen der Güteklasse 5. 704–732 °C gegenüber 691–760 °C – ein geringer Unterschied, doch der niedrigere Beta-Transus spielt eine Rolle, insbesondere bei der Lösungsglühbehandlung. Verwenden Sie die für die Güteklasse 23 spezifischen Parameter.
Die technischen Parameter in diesem Leitfaden stammen aus dem technischen Datenblatt von ATI zu Ti-6Al-4V, dem Dokument zu den Eigenschaften von Timetal 6-4 von TIMET, dem Datenblatt zu CP Ti Grade 2 von Carpenter Technology, der Norm AMS 2801D sowie aus veröffentlichten Forschungsergebnissen des „Thermal Processing Magazine“ und von „Scientific Reports“. Dies sind dieselben Quellen, auf die sich ein Wärmebehandlungsbetrieb bei der Erstellung seiner Arbeitsanweisungen stützt – und es sind die richtigen Quellen, die in einer Zeichnung oder einer Bestellung angegeben werden sollten.
