Schlussbericht - Dechema Forschungsinstitut

1. Einleitung und Aufgabenstellung
Seit der Einführung von Titanwerkstoffen, wie zum Beispiel der Legierung Ti 6Al 4V um
1950, sind diese Werkstoffe aus den Bereichen der Luft- und Raumfahrt im Flugzeugzellen-
und Triebwerksbau [1], der Energiegewinnung (in Kraftwerken und Ölbohrplattformen im
Offshorebereich), dem Hochleistungsmotorenbau (Pleuelstangen, Verdichterräder und
Abgasanlagen [2]), der chemischen Industrie als Material für Wärmetauscher oder Leitungen
[3] und der Medizintechnik [3] nicht mehr wegzudenken. Die herausragenden Eigenschaften
von Titanwerkstoffen, wie das ausgezeichnete Festigkeits-zu-Dichte-Verhältnis, die hohe
Ermüdungsfestigkeit, Biokompatibilität und die sehr gute Korrosionsbeständigkeit führen zum
Einsatz von Titanlegierungen auch in sicherheitskritischen Bereichen. Da Fügeverbindungen
insbesondere bei mechanischer Wechselbelastung als Schwachstellen wirken können,
werden Bauteile in sicherheitsrelevanten Anwendungen häufig durch spanende Bearbeitung
aus einem geschmiedeten Rohling mit einem entsprechend hohen Schrottanteil hergestellt,
der bei der Herstellung von Turbinenscheiben aus Titan bis zu 60% betragen kann [4].
Aufgrund der aktuellen Diskussion im Hinblick auf eine Reduktion von CO2-Emissionen,
um globalen Klimaveränderungen entgegen zu wirken, liegt eine neue Herausforderung im
Maschinenbau auf der Gewichtsreduktion bewegter Teile, insbesondere im Fahrzeug- und
Anlagenbau. Eine Möglichkeit zur Minimierung des Gewichts ohne größere Veränderungen
in der Konstruktion läge in der Substitution von schwereren Stählen durch leichtere
Titanlegierungen (unter anderem in Abgasanlagen oder im Motorenbereich) bei gleich
bleibender Festigkeit. Der Verwendung von Titanwerkstoffen in der Großserienfertigung
stehen jedoch insbesondere die hohen Rohstoffkosten, bedingt durch die aufwändige
Erzaufbereitung, und die schlechte Bearbeitbarkeit entgegen [5].
Andererseits sind Titanlegierungen in vielen Bereichen, in denen Aluminiumlegierungen
an ihre Festigkeitsgrenze stoßen und deshalb substituiert werden müssen, überdimensioniert
[6]. Entsprechend wären geringfügig geminderte mechanische Eigenschaften eines Titan-
werkstoffs akzeptabel, wenn sich die Fertigungszeiten und -kosten, die mit der Titan-
bearbeitung verbunden sind, deutlich reduzieren ließen. Denkbar wäre auch ein Einsatz von
Titanwerkstoffen im Gusszustand. Selbst bei leicht verminderter Festigkeit und reduzierter
Duktilität wären spanbare Titanwerkstoffe vielen Aluminiumlegierungen weiterhin überlegen
und stellten damit in Hinblick auf eine gewichtsoptimierte Konstruktion eine Alternative dar,
um Leichtbaukonzepte zu realisieren.
Folgende Anforderungen lassen sich für einen Einsatz von Titanwerkstoffen in mittleren
und größeren Serien formulieren:
Reduktion der Rohstoffkosten, insbesondere durch den Einsatz möglichst günstiger
Legierungselemente, da sich der Kroll-Prozess zur Titangewinnung zurzeit nicht
ersetzen lässt (siehe auch Abschnitt 2.1.2) und daher das Basismaterial Titan in
naher Zukunft verhältnismäßig teuer bleiben wird [7].
Einsatz von Titanlegierungen im Gusszustand. Viele Komponenten aus
Titanwerkstoffen lassen sich in Near-Net-Shape-Verfahren endkonturnah durch