KTW Titan Matrix Composite (TMC)

Leichtbauwerkstoff auf Titanbasis für hochfeste Bauteile

Die Alternative zu Stahl und anderen herkömmlichen Werkstoffen für die Herstellung von Industriekomponenten. Kleinere und leichtere kundenspezifische Teile mit erhöhter Langlebigkeit und großem Potenzial für Kraftstoff- und Energieeinsparungen. Auch für orthopädische Implantate geeignet.

Herstellverfahren ist entscheidend

Leichtbau hält Einzug in vielen Technologien. Insbesondere thermisch, mechanisch und dynamisch hoch-beanspruchte Bauteile stehen im Fokus. Geeignete Leichtbauwerkstoffe ermöglichen die Verkleinerung der Bauteilgeometrie und/oder die Reduzierung des Bauteilgewichts, jeweils ohne Einschränkung der Belastbarkeit. Zur Auswahl stehen vor allem Werkstoffe wie Aluminium, Carbon und Titan, die sich jedoch in ihren Materialeigenschaften deutlich voneinander unterscheiden.

Mit dem KTW TitanMatrixComposite kommt nun ein neuer Titan-basierter Werkstoff hinzu. Dem technischen Durchbruch dieses Werkstofftyps (Ti MMC), an dem bereits seit Jahrzehnten in der Luft- und Raumfahrt gearbeitet wird, stand bislang ein wenig zuverlässiges und reproduzierbares Herstellverfahren im Wege. Diese Hürde konnte KTW mit der Entwicklung des Magnetron Sputter Prozesses überwinden.

Bedarfsgerechte Leichtbaukomponenten für viele industrielle Anwendungen

In einer Welt, in der der Energieverbrauch ein immer wichtigerer Faktor für den Markterfolg und die Rentabilität von Produkten und Technologien ist, werden Materialien, die Stahl und andere schwergewichtige Elemente ersetzen können, dringend benötigt.

KTW Titan-Matrix-Verbundwerkstoffe bestehen aus SiC-Fasern in einer Metallmatrix, in der Regel einer Titanlegierung. Sie vereinen das Beste aus beiden Welten: das geringe spezifische Gewicht von Titan mit der hohen Zugfestigkeit und Steifigkeit der Fasern. Das Ergebnis ist ein leichtes Material mit hoher Homogenität, das seine Eigenschaften bis zu Temperaturen von 600 °C beibehält und aufgrund seiner Titanoberfläche korrosionsbeständig und biokompatibel ist.

Darüber hinaus können TMC-Bauteile dank der Herstellung im KTW-Magnetron-Sputter-Verfahren eine Vielzahl von Formen annehmen. Das Ergebnis sind Teile, die genauso stark oder stärker sind als herkömmliche Alternativen und dabei viel weniger wiegen, was ein enormes Potenzial für Energie- und Kraftstoffeinsparungen für eine Vielzahl von Branchen und Anwendungen eröffnet.

""Halb so schwer und doppelt so fest wie hochlegierter Stahl -
und das bei Temperaturen bis 600° Celsius!"

Wie setzt sich TMC zusammen?

Titan Matrix Composite (TMC) ist ein faserverstärkter Verbundwerkstoff, bei dem SiC-Fasern in eine Metallmatrix aus Titan eingefügt werden und über einen lückenlosen Formschluss (Quasi-Materialschluss) eine Einheit bilden. Aufgrund der Besonderheiten des Magnetron Sputter Prozesses kann jegliche Titan-Legierung als Metallmatrix verwendet werden.

Das Titan überzeugt durch sein geringes spezifisches Gewicht. Die SiC-Fasern verleihen die hohe Zugfestigkeit und Steifigkeit. Im Gegensatz zu vielen Leichtbauwerkstoffen behält TMC seine Materialeigenschaften auch bei hohen Temperaturen bis 600 °C. Da die SiC-Fasern nicht an die Oberfläche treten, behält der Werkstoff seine Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität.

TMC
in Zahlen

Characteristics	TMC	High-strength Steel	Ti-alloy
Density in g/cm3	4	7,8	4,6
Strength in Mpa	2200	1700	1100
Strength at 600°C in Mpa	1400	800	650
Stiffness in Gpa	210	190	115
Elongation in %	1,3	6	15
Thermal expansation in K°-1	5 x 10-6	12 x 10-6	8,5 x 10-6

Bauteildesign ist entscheidend

Die Materialeigenschaften des TMC erfordern eine spezifische Auslegung des Bauteildesigns.

Unterstützung bei der Materialauswahl

Eigenschaften	Alu	TMC	Carbon
Gewicht	+	o	+
Temperaturbeständigkeit	-	++	-
Widerstandsfähigkeit	o	++	-
Langlebigkeit	-	++	o
Steifigkeit	o	++	++
Duktilität	o	+	o
Korrosionsbeständigkeit	-	++	+
Mehrdimensionale Belastbarkeit	+	+	-
Biokompatibilität	-	++	-

Alu
TMC Carbon

?

Leistungsversprechen von TMC

Signifikant höhere Belastbarkeit (75% höhere Zugfestigkeit, 10% höhere Steifigkeit) bei unveränderten Dimensionen des Bauteils aus hochlegiertem Stahl
Gewichtsreduktion von 50% gegenüber gleichem Bauteil aus hochlegiertem Stahl
Deutliche Verkleinerung des Bauteils bei gleicher Belastungssituation
Steigerung der Leistungsdichte von E-Motoren durch Reduzierung bewegter Massen z.B. von Rotor, Stator
Steigerung des Wirkungsgrads von Turbinen durch verkleinerte Spaltmaße zur Kompensation der Radialausdehnung der Turbinenschaufeln

Vorteile von KTW Titan-Matrix-Verbundwerkstoffen

Deutlich erhöhte Tragfähigkeit im Vergleich zu Stahl

KTW-Titan-Matrix-Verbundwerkstoffe weisen bei gleichen Abmessungen eine um 75 % höhere Zugfestigkeit und eine um 10 % höhere Steifigkeit auf als entsprechende Bauteile aus hochlegiertem Stahl. Dies bedeutet auch, dass bei gleichbleibender Belastung eine erhebliche Reduzierung der Bauteilgröße möglich ist. Darüber hinaus zeigen TMC-Bauteile bei hohen Temperaturen die gleiche oder eine bessere Leistung als ihre Gegenstücke aus Stahllegierungen.

50% Gewichtsreduzierung

Im Vergleich zu Bauteilen aus hochlegiertem Stahl wiegen die von TMC gefertigten Komponenten im Durchschnitt nur halb so viel bei höherer Steifigkeit. Dies ermöglicht die Herstellung von großen Maschinen wie Flugzeugturbinen und anderen Schwerlastgeräten bei einem wesentlich geringeren Gewicht, was in der Endanwendung zu großen Einsparungen bei Energie und Kraftstoff führt.

Vielseitige Anwendungen

Das Verfahren eignet sich für viele Arten von Bauteilen aus den unterschiedlichsten Branchen und Prozessen. Es liefert perfekte und wiederholbare Qualität dank eines hohen Automatisierungsgrades. Die maschinelle Bearbeitung und der 3D-Druck ermöglichen die Herstellung vieler gewünschter Formen. Geringe Reaktivität und hohe Biokompatibilität ermöglichen auch den Einsatz im medizinischen Bereich, zum Beispiel in künstlichen Gelenken.

Fakten

Perfekte und reproduzierbare Qualität mittels Magneton Sputter Process

Hochleistung im Hochtemperaturbereich

Vielseitig verwendbar

Anwendungsbereiche für dieses leichte Material

KTW Titan-Matrix-Verbundwerkstoffe sind in einer Vielzahl von Branchen und Bereichen einsetzbar:

Allgemeine Mechanik – Das Material ist in der Lage, eine große Anzahl von Teilen in verschiedenen Arten von Maschinen zu ersetzen. Beispiele sind Verbindungsstangen, Bolzen, Ventile und andere Komponenten mit hohen Leistungsanforderungen.
Luft- und Raumfahrt – Hier kann das Verfahren für leichtere und stabilere Turbinen-/Ventilatorschaufeln, Einlass-/Auslassventile, Stangen, Bolzen, Stifte, Wellen und mehr sorgen. Aufgrund der minimalen Wärmeausdehnung des Werkstoffs können aus TMC hergestellte Turbinenschaufeln beispielsweise die Effizienz von Flugzeugtriebwerken erheblich steigern.
Autos/Motorsport – TMC-Komponenten werden bereits in Toyota-Motoren der Formel 1 eingesetzt. Im Allgemeinen sind sie in der Lage, die Leistungsdichte von Elektromotoren zu erhöhen, indem sie die bewegte Masse z. B. des Rotors oder Stators verringern.
Medizinischer Bereich – Geringe Reaktivität und hohe Biokompatibilität machen KTW Titan Matrix Composites zum perfekten Material für orthopädische Implantate.