Kristallstruktur und Legierungsklassen
Titan tritt in zwei allotropen Modifikationen auf: die hexagonal dichtgepackte α-Phase (stabil bis 882 °C) und die kubisch raumzentrierte β-Phase (oberhalb 882 °C). Durch Legierungselemente lässt sich das Phasengleichgewicht gezielt verschieben:
- α-Legierungen (z. B. Ti-5Al-2,5Sn): Einphasig hexagonal, gute Schweißbarkeit, hohe Kriechbeständigkeit, eingeschränkte Kaltumformbarkeit.
- β-Legierungen (z. B. Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn): Hohe Festigkeit nach Aushärtung (bis 1400 MPa), schwerer schweißbar.
- α+β-Legierungen (z. B. Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo): Häufigste Klasse; bieten ausgewogene Festigkeit, Duktilität und Wärmebehandlungsoptionen. Ti-6Al-4V macht ca. 50 % aller Titanlegierungs-Anwendungen aus.
Physikalische und mechanische Eigenschaften
Titan und seine Legierungen zeichnen sich durch eine sehr niedrige Dichte von ca. 4,5 g/cm³ (Stahl: 7,85 g/cm³) bei gleichzeitig hoher Festigkeit aus (spezifische Festigkeit höher als Stahl). Der Elastizitätsmodul beträgt ca. 110–120 GPa (deutlich geringer als Stahl mit 210 GPa), was bei der Schallgeschwindigkeitsberechnung für UT relevant ist. Titanlegierungen sind biokompatibel (Implantatanwendungen), hochkorrosionsbeständig in Meerwasser und Säuren sowie wärmebeständig bis ca. 550 °C (α+β).
ZfP-Besonderheiten und Herausforderungen
Heterogenes Grobkorn und UT-Frequenzwahl
Titanlegierungen neigen bei der Herstellung von Schmiedevorprodukten (Billets) zur Ausbildung von heterogenem Grobkorn mit makroskopisch unterschiedlichen Texturzonen. Dies führt zu strukturbedingtem Rauschen (Metallrauschen) bei der Ultraschallprüfung. Zur Billet-Prüfung werden Frequenzen von 5–10 MHz empfohlen — höhere Frequenzen erhöhen die Auflösung, verstärken aber das Streurauschen. Die Prüfgeschwindigkeit und der Prüfabstand sind auf die lokale Schallgeschwindigkeit abzustimmen.
Textur-induzierte Anisotropie
Durch Umformung (Walzen, Schmieden) entsteht eine kristallografische Vorzugsorientierung (Textur). In α-Titan ist die Schallgeschwindigkeit entlang der hexagonalen c-Achse und senkrecht dazu unterschiedlich (akustische Anisotropie). Dies führt zu Strahlablenkung, Geschwindigkeitsschwankungen und Messfehlern bei der Tiefenbestimmung. Die Textur muss bei der Prüfplanung berücksichtigt werden (z. B. durch mehrere Einschallrichtungen).
Hardalpha-Einschlüsse (HA/HIA)
Hardalpha-Einschlüsse (Hard Alpha, auch HIA: High Interstitial Areas) sind Zonen mit erhöhtem Interstitialgehalt (Stickstoff, Sauerstoff), die beim Erschmelzen entstehen können. Sie sind spröde und können im Betrieb als Ausgangsort für Ermüdungsrisse dienen. In Luftfahrtkomponenten (Turbinenscheiben, Verdichterscheiben) sind HA-Einschlüsse sicherheitskritisch. Ihre Nachweisbarkeit mit konventionellem UT ist eingeschränkt, da der akustische Kontrast gering ist; spezielle hochfrequente Immersionsprüfungen und enge Prüfraster sind erforderlich.
Referenzkörper und Normung
Für die Luftfahrt-Ultraschallprüfung von Titanbauteilen gilt AMS 2634 als maßgebliche Norm. Sie schreibt spezifische Referenzkörper aus gleichem Werkstoff und Herstellroute vor, definiert FBH-Referenzgrößen (Flat Bottom Holes) und Prüfbedingungen für Immersionsprüfung. Ergänzend: AMS 2630 (allgemeine UT), EN 10228-4 (Schmiedestücke), ASTM B265 (Bleche/Bänder).
Weitere ZfP-Verfahren
- PT (Eindringprüfung): Gut geeignet für Oberflächenrisse; bevorzugt fluoreszierend (Typ 1) für Luftfahrtteile.
- ET (Wirbelstromprüfung): Anwendbar für Oberflächen- und Nahoberflächen-Fehler; speziell für Bohrungsinnenflächen und Schaufeln.
- RT: Für Gussteile und Schweißnähte; bei Wanddicken
- MT: Nicht anwendbar — Titan ist nicht ferromagnetisch.
Einsatzbereiche
Luft- und Raumfahrt (Triebwerksscheiben, Strukturbauteile), Medizintechnik (Implantate, Prothesen), chemische Industrie (Wärmetauscher, Reaktoren), Offshore und Meerestechnik, Sportgeräte und Hochleistungsfahrzeuge.