Titanlegierung Ti6Al4V im 3D-Druck: Welche Eigenschaften hat sie?

Titan und seine Legierungen sind hochgeschätzte Metalle im Bereich der additiven Fertigung, von denen die Legierung Ti6Al4V die Wichtigste ist. Titan ist ein metallischer Werkstoff, der in der Natur gebunden als Oxid, genauer gesagt in Rutil (TiO2) oder Ilmenit (FeTiO3), vorkommt. Die Gewinnung von Reintitan erfolgt nach dem Kroll-Verfahren. In grundlegender und vereinfachter Form besteht sie aus der Extraktion von Titantetrachlorid (TiCl4) durch Chlorierung bei 1000 ºC in Gegenwart von Kohlenmonoxid, das dann durch Magnesium oder gemahlenem Natrium in einer inerten Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 800 und 850 ºC reduziert wird, wodurch man reines Titan erhält. Die hohe Reaktivität von Titan macht es schwierig, es als reines Metall zu erhalten, daher wird eine Probe mit 99,9 % Reinheit kommerziell als Reintitan eingestuft. Deshalb wird es meist in Kombination mit anderen Elementen verwendet, um eine Legierung zu bilden.

Die wichtigsten Eigenschaften von Titan sind die hohe Festigkeit, die geringe Dichte und die ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit. Das macht Titan und seine Legierungen zu attraktiven Werkstoffen für verschiedene Bereiche wie zum Beispiel Luft- und Raumfahrt oder Medizintechnik. Der einzige erhebliche Nachteil von Titan ist sein hoher Preis. Darüber hinaus haben die Werkstoffe aufgrund der Eigenschaften ihrer Legierungen ein großes Potenzial für die Herstellung von Teilen und Elementen durch additive Fertigung.

Ein 3D-gedruckter Bremssattel aus Titan (Bildnachweis: Bugatti)

Klassifizierung und Arten von Titan-Legierungen

Titanlegierungen werden in drei Gruppen eingeteilt: α, α + β und β, abhängig von der Phase oder den Phasen, die im Mikrogefüge der Legierung vorhanden sind. Aber was ist denn nun eine Mikrostruktur und eine Phase? Die Mikrostruktur ist die Struktur eines Materials, die unter einem Licht- oder Elektronenmikroskop sichtbar ist. Sie gibt Auskunft über die Größe, Form und Ausrichtung der einzelnen Kristalle oder Körner, aus denen ein Material besteht. Diese Mikrostruktur bestimmt weitgehend die Eigenschaften des Materials. Im Gegensatz dazu ist eine Phase ein Bereich des Materials mit homogenen physikalischen und chemischen Eigenschaften. Ebenso unterscheidet sie sich als solches in ihrer Mikrostruktur und/oder Zusammensetzung von einem anderen Bereich. Beide Eigenschaften des Materials hängen von der Abkühlgeschwindigkeit vom flüssigen in den festen Zustand und von der angewandten Wärmebehandlung ab.

Die Einteilung in die einzelnen Gruppen hängt von den Elementen ab, mit denen Titan kombiniert wird. Die α-Typ-Legierungen werden von α-stabilisierenden Elementen (Aluminium, Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff) dominiert. α-Legierungen zeichnen sich durch ihre – im Vergleich zu anderen Legierungen – geringen mechanischen Eigenschaften und ihre hervorragende Korrosionsbeständigkeit aus. Die am häufigsten verwendeten Legierungen in dieser Gruppe sind Ti3Al2.5V und Ti5Al2.5V. Legierungen vom β-Typ wurden entwickelt, um die mechanischen Eigenschaften des Materials zu verbessern. Diese Legierungen, unter anderem Ti10.2.3, Ti555.3 und Ti17, enthalten β-Stabilisatoren (Eisen, Molybdän, Vanadium).

Schließlich sind die Legierungen vom Typ α + β die am meisten untersuchten und enthalten sowohl α-stabilisierende als auch β-stabilisierende Elemente, was zu einer gemischten Mikrostruktur mit einer guten Kombination von Eigenschaften führt. Die am weitesten verbreitete Legierung ist Ti6Al4V, die aufgrund der Ausgewogenheit zwischen mechanischer Festigkeit, Duktilität, Ermüdungsfestigkeit und Bruchzähigkeit 56 % des gesamten Ti-Marktes einnimmt. Nach Legierungstyp kann die Marktauslastung in 26% aus α, 4% aus β und 70% aus α + β unterteilt werden.

Links, eine gleichachsige Ti6Al4V-Mikrostruktur (Zustand wie ohne Wärmebehandlung). Rechts, das Ti6Al4V-Phasendiagramm

Ti6Al4V-Legierung im 3D-Druck

Was den allgemeinen Markt betrifft, ist die Legierung Ti6Al4V aufgrund ihrer hohen Festigkeit, geringen Dichte, hervorragenden Korrosionsbeständigkeit und hohen Biokompatibilität die am häufigsten verwendete Legierung im 3D-Druck. Diese Kombination von Eigenschaften macht es zu einem Produkt, das unter anderem in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, (Bio-)Medizin-, Chemie- und Militärindustrie eingesetzt wird.

Der 3D-Druck von Teilen mit Ti6Al4V beginnt mit der Legierung in Pulverform. Hierfür werden hauptsächlich zwei Techniken verwendet: Plasma-Zerstäubung oder Gas-Zerstäubung. Die Plasmazerstäubung wird für die Herstellung von reaktivem Materialpulver (Ti6Al4V) verwendet. Die Technik besteht darin, Drähte der Legierung in den Trichter des Sprühgeräts einzuführen. Diese werden von einem Plasmaschweißgerät geschmolzen und während das geschmolzene Metall herunterfällt, erstarrt es zu kugelförmigen Partikeln. Die Gaszerstäubung ist die am häufigsten verwendete Technik. Bei dieser Technik wird das geschmolzene Material in eine Düse eingeführt und in einem Inertgasstrom (Ar oder N) zerkleinert. Der Gasstrom verfestigt das geschmolzene Material und erzeugt kugelförmige Partikel, die sich am Boden der Kammer absetzen und sammeln.

In-Ohr-Kopfhörer aus 3D-Titan gedruckt (Bildnachweis: Unique Melody)

Die Herstellungsverfahren für Metallpulver, in diesem Fall Ti6Al4V, sind sehr wichtig, da sie die Partikelgröße und die Eigenschaften des Metallpulvers bestimmen, was wiederum die Eigenschaften des 3D-gedruckten Teils oder des endgültigen Elements bestimmen. Derzeit sind drei Arten von Ti6Al4V-Pulver auf dem Markt: TC4 gemäß GB/T 3620.1-2017, Ti6Al4V grade 5 und Ti6Al4V grade 23 gemäß ASTM B348-13. Die drei Typen unterscheiden sich in ihrer Partikelgrößen-Verteilung, die die Mindestdicke der gedruckten Schicht begrenzt. Die gebräuchlichsten 3D-Druckverfahren mit Ti6Al4V sind DMLS und SLM, abhängig von der Art des Teils und seinen gewünschten Eigenschaften.

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