Gründe für die Verwendung von Titan
Gewicht verlieren
Die hohe Festigkeit und geringe Dichte von Titan (ca. 40 % geringer als Stahl) bieten viele Möglichkeiten zur Gewichtsreduzierung. Die besten Beispiele sind die Verwendung in den Fahrwerken der Flugzeuge Boeing 777 und 787 sowie des Airbus A380. Abbildung 1 zeigt das Fahrwerk des Flugzeugs 777. 1 Alle gekennzeichneten Teile sind aus Ti-10V-2Fe-3Al. Die Mindestzugfestigkeit dieser Legierung beträgt 1.193 MPa; er ersetzt den mit 1.930 MPa verwendeten hochfesten niedriglegierten Stahl 4340M. Dieser Austausch führte zu einer Gewichtsreduzierung von mehr als 580 kg. 1 Boeing 787 verwendet die nächste Generation der hochfesten Titanlegierung Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr, die eine etwas höhere Festigkeit aufweist und gewisse Verarbeitungsvorteile hat. Die Verwendung von Titan in der Fahrwerkstruktur sollte auch die Wartungskosten des Fahrwerks für seine Korrosionsbeständigkeit erheblich reduzieren. Die geringe Dichte und hohe Festigkeit machen es sehr attraktiv für sich hin- und herbewegende Teile, wie Pleuelstangen für Automobilanwendungen. Ebenso ist der Preis für Familienautos zu hoch, aber das US-Energieministerium investiert stark, um den Preis für Titankomponenten für Autos und Lastwagen angemessen zu machen. (Titan wurde erfolgreich in High-End-Rennwagen eingesetzt, und die Kosten sind kein so großes Problem.)
Raumbeschränkungen
Diese Anwendung erscheint nicht oft, aber sie ist wichtig. Das beste Beispiel sind die Fahrwerksträger der 737, 747 und 757. Diese Komponente verläuft zwischen den Tragflächen und dem Rumpf und trägt das Fahrwerk. Andere Boeing-Flugzeuge verwenden bei dieser Anwendung eine Aluminiumlegierung, aber bei den oben genannten Flugzeugen ist die Belastung höher und die Aluminiumstruktur ist nicht für die Flügelhülle geeignet. Aluminiumlegierungen sind die erste Wahl, da ihre Kosten viel niedriger sind. Stahl ist eine weitere Option, aber das Gewicht wird höher sein.
Betriebstemperatur
Die Struktur des Motors und des Abgasbereichs arbeiten bei hohen Temperaturen, daher sind die Hauptwahl Titan- oder Nickelbasislegierungen; ähnlich erhöhen Nickellegierungen das Gewicht erheblich. Die Betriebstemperatur der Titan-Motorenlegierung beträgt etwa 600°C. Einige Anwendungen, wie z. B. Stopfen und Düsen (Abbildung 2), können unter bestimmten Betriebsbedingungen kurzzeitig Temperaturen über dieser Temperatur standhalten. Außer bei speziellen Motorlegierungen liegt die Temperaturgrenze von Titanlegierungen bei ca. 540 °C. Oberhalb dieser Temperatur wird die Sauerstoffkontamination zu einem Problem, wodurch die Oberfläche spröde wird. Titan wird auch in Strukturen bei niedrigen Temperaturen verwendet, beispielsweise in den Laufrädern von Raketentriebwerken.
Korrosionsbeständigkeit
Titan hat ein sehr zähes entstehendes Oxid, das sich sofort bildet, wenn es der Luft ausgesetzt wird. Dieses Oxid ist für die hervorragende Korrosionsbeständigkeit verantwortlich. In der Luft- und Raumfahrt spielt Korrosion bei Titan keine Rolle. Titan ist nicht entsteint. Nach Ansicht des Autors' ist dies die Essenz eines hochwertigen Serviceerlebnisses. Im Gebrauch bilden Aluminium- und Stahllegierungen schließlich Korrosionsnarben, die als Spannungserhöher wirken und dann Spannungskorrosion oder Ermüdungsrisse verursachen. Bei Titan passiert das nicht. Diese Korrosionsbeständigkeit zieht sich durch die chemische, petrochemische, Zellstoff-, Papier- und Bauindustrie. Titan und seine Legierungen haben eine ausgezeichnete Beständigkeit unter den meisten oxidierenden, neutralen und reduzierenden Bedingungen. Es hat auch Korrosionsbeständigkeit im menschlichen Körper. Auch die Biokompatibilität ist sehr gut; es wird in einer prothetischen Vorrichtung verwendet, und der Knochen wächst zu einer vernünftig gestalteten Titanstruktur heran. Kommerzielles reines Titan wird auch in Außenbauanwendungen verwendet, und diese Praxis begann in Japan. Es wird auf der Außenfläche verwendet, da es keine Wartung benötigt. Am bekanntesten ist die Verwendung an der Außenseite des Guggenheim-Museums in Bilbao, Spanien.
Verbundwerkstoffkompatibilität
Titan ist mit Graphitfasern in Polymerverbundwerkstoffen kompatibel. Zwischen Aluminium und Graphit besteht ein hohes elektrisches Potential. Wenn Aluminium im nassen Zustand mit Graphit in Kontakt kommt, wird das Aluminium wegkorrodiert. Es kann durch Methoden wie Glasfaserschichten aus Verbundwerkstoffen isoliert werden, aber in Bereichen, die schwer zu inspizieren und zu ersetzen sind, wird Titan als konservative Methode verwendet. Außerdem ist der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) von Titan zwar höher als der von Graphit, aber viel niedriger als der von Aluminium. Selbst innerhalb des Betriebstemperaturbereichs der Rumpfstruktur von etwa –60 °C im Reiseflug bis +55 °C bei heißem Wetter verursacht der Unterschied im CTE der an dem Verbundmaterial befestigten Aluminiumstruktur eine sehr hohe Belastung. Bei der Titanstruktur ist dies kein Problem. Je länger das Bauteil ist, desto größer ist natürlich das Problem der Verwendung von Aluminium.
Niedriger Modul
Der Hauptbereich ist der Austausch von Stahlfedern. Da der Modul etwa halb so groß ist wie der von Stahl, wird nur die halbe Anzahl an Windungen benötigt. Durch die Kombination von hoher Festigkeit und Dichte (ca. 60% von Stahl) können Stahlfedern das Gewicht idealerweise um ca. 70% reduzieren. Darüber hinaus bietet Titan eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit, wodurch die Wartungskosten gesenkt werden.
Rüstung
Titan hat eine ausgezeichnete ballistische Beständigkeit. Verglichen mit einer Stahl- oder Aluminiumpanzerung hat es den gleichen ballistischen Schutz bei der interessierenden Flächendichte und kann das Gewicht um 15-35% reduzieren, wodurch das Gewicht von militärischen Bodenkampffahrzeugen stark reduziert wird. Leichtere Fahrzeuge haben eine bessere Transportfähigkeit und Manövrierfähigkeit. Hervorragende Korrosionsbeständigkeit, geringer Ferromagnetismus und Kompatibilität mit Verbundwerkstoffen bieten ebenfalls erhebliche Vorteile. Zwei Projekte, die Titan in aufgerüsteten Fahrzeugen verwenden, sind der Schützenpanzer Bradley (Abbildung 3) und der Kampfpanzer Abrams. 2 Die relativ hohen Titankosten konnten durch die Verwendung von Platten aus Elektronenstrahlen, Kaltherden und Einschmelzbarren erfolgreich gesenkt werden. 3
