Thermische Eigenschaften von Titan verstehen

Titan und seine Legierungen werden aufgrund ihrer hohen Festigkeit, ihres geringen Gewichts, ihrer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit und ihrer allgemein stabilen Eigenschaften bei hohen und niedrigen Temperaturen häufig für strukturelle Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Verteidigung, Sportausrüstung und dem Gesundheitswesen verwendet. Die einzigartigen thermischen Eigenschaften von Titan machen es jedoch für bestimmte Anwendungen ungeeignet, während es bei anderen hervorragend ist.

Titan verhält sich bei extremen Temperaturen etwas anders als die meisten Metalle, daher ist es wichtig, die thermischen Eigenschaften von Titan zu verstehen, bevor Sie es in einer solchen Umgebung verwenden. Obwohl beispielsweise Titan bei hohen Temperaturen stark bleibt, leitet es Wärme nicht leicht ab, was zu einem Wärmestau im Metall führen kann. Einige Titanlegierungen können jedoch auch bei kryogenen Temperaturen außerordentlich gute Leistungen erbringen.

In diesem Beitrag untersuchen wir die thermischen Eigenschaften von Titan bei hohen und kryogenen Temperaturen und wie sie seine Leistungsfähigkeit in gängigen Anwendungen beeinflussen.

Thermische Eigenschaften von Titan bei hohen Temperaturen

Titan kann aufgrund seines hohen Schmelzpunkts und seiner Ermüdungsfestigkeit bei hohen Zyklen in Umgebungen mit extremen Temperaturen gute Leistungen erbringen. Es wird in Anwendungen wie Flugzeugtriebwerken, Marineschiffen, Raumfahrzeugen, Raketen und Rohren für Kraftwerke wegen seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit bevorzugt, die durch einen schützenden Oxidationsprozess verursacht wird, der auftritt, wenn es hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Diese Temperaturoxidation wird in reinen Sauerstoffatmosphären gesenkt.

Im Folgenden sehen wir uns die thermischen Eigenschaften von kommerziell reinem Titan und Titanlegierungen genauer an.

Kommerziell reines Titan

Kommerziell reines Titan hat ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und ist eine ausgezeichnete Wahl für den Einsatz in Komponenten, die bei hohen Temperaturen betrieben werden, da es einen Schmelzpunkt von etwa 3.034 °F und eine Dichte von etwa 4,5 g/cm3 hat. Seine Anwendungen können jedoch manchmal eingeschränkt sein, da Titan Feuer fangen und extreme Schäden verursachen kann, wenn es Situationen ausgesetzt wird, in denen es bei erhöhten Temperaturen an anderen Metallen reibt.

Kommerziell reines Titan ist korrosionsbeständig und bildet eine schützende Oxidschicht, wenn es hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Dies kann positiv sein, wenn es mit Wasser oder bei Umgebungstemperaturen irgendwo auf der Erde reagiert. Titan reagiert jedoch auch bei hohen Temperaturen mit Sauerstoff und Kohlenstoff, was bei der Herstellung von Titanmetall, -kristallen oder -pulver zu Herausforderungen führt. Wenn Titanpulver in Gegenwart von Sauerstoff erhitzt wird, kann es in Prozessen wie dem 3D-Druck und der Pulversintermetallurgie zu einer Explosionsgefahr werden. Diese Eigenschaften zeichnen sich in Rohren aus, sind jedoch für Strahltriebwerke und Raketenmotoren ungeeignet.

Aufgrund seiner hohen Festigkeit und Kriechfestigkeit kann kommerziell reines Titan bei Temperaturen bis zu etwa 572 °F stabil bleiben. Im Vergleich zu anderen Metallen wie Aluminium hat Titan eine geringe thermische und elektrische Leitfähigkeit, was zu einer übermäßigen Wärmeentwicklung führen kann.

Titan ist nicht wasserlöslich und seine Wasserstofflöslichkeit nimmt bei höheren Temperaturen noch weiter ab, was es zu einem guten Kandidaten für magnetisch eingeschlossene Fusionsreaktoren macht. Titan wird auch häufig in orthopädischen und zahnärztlichen Implantaten verwendet – für die meisten Anwendungen werden Titan jedoch häufig andere Metalle hinzugefügt, um stärkere, zähere Legierungen zu erzeugen.

Titanlegierungen

Reines Titan wird oft mit anderen Metallen gemischt, um Legierungen zu schaffen, die auch bei hohen Temperaturen eine erhöhte Zugfestigkeit und Zähigkeit bieten. Diese Legierungen werden in drei verschiedene Kategorien eingeteilt – Alpha, Beta und Alpha+Beta. Eine kurze Beschreibung jeder Titanlegierungskategorie ist unten beschrieben.

• Alpha-Legierungen enthalten Metalle wie Aluminium und Zinn und haben eine außergewöhnliche Kriechfestigkeit bei Temperaturen bis zu 1.100 °F. Aus diesem Grund werden Alpha-Legierungen häufig für Hochtemperaturanwendungen bevorzugt. Sie haben jedoch eine geringe bis mittlere Festigkeit, die durch Wärmebehandlung nicht erhöht werden kann.
• Beta-Legierungen , die Elemente wie Molybdän, Vanadium und Niob enthalten, haben eine hervorragende Härtbarkeit und können leicht wärmebehandelt werden, um ihre Festigkeit zu erhöhen. Diese Legierungen haben eine hohe Bruchzähigkeit und sind gut schmiedbar. Beta-Legierungen können jedoch nicht so hohen Temperaturen standhalten wie Alpha-Legierungen.
• Alpha+Beta-Legierungen sind auch wärmebehandelbar und bieten mittlere bis hohe Festigkeit. Diese Legierungen können auch bei höheren Temperaturen betrieben werden als kommerziell reine Titansorten und haben eine Kriechfestigkeit von bis zu 500–800 °F.

Einige Titanlegierungen mit höherer Komplexität zeigen eine hohe Festigkeit bei Temperaturen bis zu etwa 932 °F. Titanlegierungen haben im Allgemeinen auch niedrigere Wärmeleitfähigkeiten als kommerziell reines Titan.

Thermische Eigenschaften von Titan bei kryogenen Temperaturen

Titan und seine Legierungen unterscheiden sich auch dadurch von anderen Metallen, dass einige von ihnen ihre Festigkeit und Duktilität bei kryogenen Temperaturen unglaublich gut beibehalten können. Alpha-Legierungen sind insbesondere für kryogene Anwendungen geeignet, da der Übergang von duktil zu spröde, der bei Beta-Legierungen auftritt, fehlt. Beta-Legierungen werden aufgrund dieses Übergangs von duktil zu spröde im Allgemeinen nicht für die Verwendung in Umgebungen mit kryogenen Temperaturen in Betracht gezogen. Alpha-Beta-Legierungen, die sowohl Alpha- als auch Beta-Phasen-Kristallstrukturen enthalten, haben jedoch auch hohe Festigkeitseigenschaften in kryogenen Umgebungen. Insbesondere die Legierung Ti-6Al-4V Alpha+Beta kann bei kryogenen Temperaturen bis zu etwa 800 °F verwendet werden und wird für viele Flugzeugzellen- und Triebwerksteile verwendet.

Ihre lokale Titanquelle

Industrial Metal Service liefert seit mehr als zwei Jahrzehnten Spezialmetalle an Hersteller, Maschinisten und Verarbeiter in der San Francisco Bay Area und im ganzen Land, und wir haben uns einen Namen für Professionalität, Zuverlässigkeit und kundenorientierten Service gemacht. Wir bieten sowohl neue als auch recycelte Restmetalle wie Titan, Aluminium, Stahl und Kupfer an, die mit Röntgenfluoreszenzanalysatoren verifiziert werden, um die Qualität der von Ihnen gekauften Metalle sicherzustellen.