1. Klassifizierung nach chemischer Zusammensetzung
Basierend auf dem Gehalt und der Art der Legierungselemente in Titan wird es in zwei Hauptkategorien unterteilt: reines Titan und Titanlegierungen. Dies ist die primäre Grundlage für die Sortenwahl in der Produktion.
- Reines Titan (kommerzielles reines Titan)
Enthält nur Spurenreinheiten (z.B. Fe, C, N, O, H) ohne absichtlich zugesetzte Legierungselemente. Es bietet gute Plastizität, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und moderate Festigkeit. Geeignet für Komponenten mit hoher Korrosionsbeständigkeit, aber nicht hoher Festigkeit (z.B. Grundmaterial für Gelenkprothesen in medizinischen Implantaten, Chemieleitungen).
Gradiert basierend auf dem Sauerstoffgehalt (beeinflusst Festigkeit und Plastizität). Die Übereinstimmung zwischen internationalen (ISO) und chinesischen (GB/T) Normen ist wie folgt:
| Internationale Norm (ISO 5832-2) | Chinesische Norm (GB/T 2965) | Sauerstoffgehalt (%) O | Hauptmerkmale | Typische Anwendungen |
| Grade 1 | TA1 | 0,18 | Gute Verformbarkeit, geringe Festigkeit | Dünnwandige Teile mit hoher Korrosionsbeständigkeit, medizinische Verbandmaterialien |
| Grade 2 | TA2 | 0,25 | Gute Balance aus Festigkeit und Verformbarkeit | Allgemeines medizinisches Titan (z. B. künstliche Knochen, Zahnimplantate), chemische Behälter |
| Grade 3 | TA3 | 0,35 | Hohe Festigkeit, leicht verringerte Verformbarkeit | Mittelhochfeste korrosionsbeständige Strukturteile (z. B. Wärmetauscherteile) |
| Grade 4 | TA4 | 0,40 | Hohe Festigkeit, geringe Verformbarkeit | Hochfeste korrosionsbeständige Teile (z. B. Ventilspindeln) |
- Titanlegierungen (nach Hauptlegierungselementen klassifiziert)
Festigkeit, Hitzebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder Biokompatibilität werden durch Zugabe von Elementen wie Al, V, Mo, Zr, Nb verbessert. Dies sind häufig verwendete Materialien in High-End-Bereichen (Luftfahrt, Medizin). Klassifiziert in 4 Hauptsysteme nach Legierungselementtyp:
(1) α-Typ Titanlegierungen (Niedrigtemperaturstabil, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit)
Legierungselemente: Hauptsächlich α-Stabilisatoren (z.B. Al, Sn, Zr), ohne oder minimal β-Stabilisatoren.
Eigenschaften: αEinphasenstruktur bei Raumtemperatur, gute Schweißbarkeit, Korrosionsbeständigkeit nahe reinem Titan, Festigkeit höher als reines Titan, aber niedrigere Hochtemperaturfestigkeit (≤500 ° C).
Typische Klassen:
Klasse 5 (Ti-6Al-4V ELI): Allgemeine medizinische Titanlegierungsklasse (ELI steht für “Extra Low Interstitial”, mit niedrigerem C / O / N-Gehalt, der eine bessere Biokompatibilität bietet), die für künstliche Gelenke, Wirbelsäuleninterne Fixatoren verwendet wird.
Klasse 9 (Ti-3Al-2.5V): Hohe Festigkeit, hohe Plastizität, verwendet für Luftfahrtsrohre, medizinische Interventionsgeräte (z. B. Stents).
Klasse 23 (Ti-6Al-4V ELI): Verringert interstitielle Elemente im Vergleich zu Klasse 5 weiter, geeignet für langfristige menschliche Implantate.
(2) β-Typ Titanlegierungen (Hochtemperaturstabil, hohe Festigkeit)
Legierungselemente: Hauptsächlich β-Stabilisatoren (z.B. Mo, Nb, Ta, V) in hohem Gehalt (≥10%).
Eigenschaften: Kann β-einphasige oder α + β-doppelphasige Struktur bei Raumtemperatur durch Auslöschen / Alterungsbehandlung erhalten. Bietet hohe Festigkeit (Zugfestigkeit ≥1100 MPa), gute Kaltbearbeitbarkeit und gute Biokompatibilität (enthält keine toxischen Elemente).
Typische Grade (medizinisch bezogen):
Ti-13Nb-13Zr: Enthält kein V oder Al, vermeidet die Freisetzung giftiger Metallionen, verwendet für Zahnimplantate, künstliche Gelenke.
Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr (TNZT-Legierung): Elastisches Modul nahe am menschlichen Knochen (ca. 60 GPa, niedriger als 110 GPa von Ti-6Al-4V), was den “Spannungsschirmeffekt” reduziert, eine Entwicklungsrichtung für medizinische Titanlegierungen.
Ti-15Mo: Starke Korrosionsbeständigkeit, für chemische korrosionsbeständige Teile, medizinische orthopädische Instrumente verwendet.
(3) α + β-Typ Titanlegierungen (gute Gesamtleistung)
Legierungselemente: Enthält sowohl α-Stabilisatoren (Al) als auch β-Stabilisatoren (V, Mo). α+β Doppelphasenstruktur bei Raumtemperatur.
Eigenschaften: Der Mikrostrukturanteil kann durch Wärmebehandlung (Glühen, Lösung und Altern), Ausgleichstärke (höher als α-Legierungen), Plastizität (besser als β-Legierungen) und Hochtemperaturleistung (≤600 ° C) eingestellt werden. Weit verbreitet in der Luft- und Raumfahrt und medizinischen Bereichen.
Typische Klassen:
TC4 (Grade 5, Ti-6Al-4V): Nicht-ELI-Version, für Luft- und Raumfahrtstrukturen (Rumpf, Flügel), niedrige-mittlere Temperaturabschnitte von Motorventilatoren/Kompressoren, biologische Implantate, Marinekomponenten.
Klasse 22 (Ti-6Al-4V ELI): Höhere Reinheit als Klasse 5 ELI, verwendet für medizinische Implantate mit hoher Nachfrage.
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo: Höhere Hochtemperaturfestigkeit als Ti-6Al-4V, verwendet für Flugmaschinenblätter (≤550°C).
(4) Nahe α-Typ Titanlegierungen (ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit)
Legierungselemente: Vorwiegend α-Stabilisatoren mit einer geringen Menge an β-Stabilisatoren (≤2%).
Eigenschaften: Struktur hauptsächlich α-Phase mit einer kleinen Menge an β-Phase. Bietet hohe Hochtemperaturfestigkeit (≤650°C) und gute Oxidationsbeständigkeit, geeignet für Hochtemperaturumgebungen.
Typische Klassen:
Ti-8Al-1Mo-1V: Verwendet für Brennkammern von Flugmotoren, Hochtemperaturbefestigungselemente.
Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo: Hohe Hochtemperaturfestigkeit, für Luftfahrzeugkomponenten verwendet.
2. Klassifizierung nach Verarbeitungsbedingung
Bei derselben Titanqualität variieren die mechanischen Eigenschaften (Festigkeit, Plastizität) aufgrund unterschiedlicher Walz-, Schmiede- und Wärmebehandlungsprozesse erheblich. Dies muss in der Produktion klar festgelegt werden. Die allgemeinen Verarbeitungsbedingungen sind wie folgt:
| Internationale Norm (ISO 5832-2) | Chinesische Norm (GB/T 2965) | Sauerstoffgehalt (%) O | Hauptmerkmale | Typische Anwendungen |
| Grade 1 | TA1 | 0,18 | Gute Verformbarkeit, geringe Festigkeit | Dünnwandige Teile mit hoher Korrosionsbeständigkeit, medizinische Verbandmaterialien |
| Grade 2 | TA2 | 0,25 | Gute Balance aus Festigkeit und Verformbarkeit | Allgemeines medizinisches Titan (z. B. künstliche Knochen, Zahnimplantate), chemische Behälter |
| Grade 3 | TA3 | 0,35 | Hohe Festigkeit, leicht verringerte Verformbarkeit | Mittelhochfeste korrosionsbeständige Strukturteile (z. B. Wärmetauscherteile) |
| Grade 4 | TA4 | 0,40 | Hohe Festigkeit, geringe Verformbarkeit | Hochfeste korrosionsbeständige Teile (z. B. Ventilspindeln) |
3. Klassifizierung nach Anwendungsfeld
Verschiedene Felder haben unterschiedliche Leistungsanforderungen an Titanmaterialien. Folgendes zeigt die Grad-Übereinstimmung für Kernanwendungsfelder:
| Anwendungszweckbereich | Kernanforderungen | Empfohlene Grade | Spezifische Produkte |
| Medizinische Implantate | Biokompatibilität, niedriger Elastizitätsmodul, Korrosionsbeständigkeit | Grade 2 (Rein-Ti), TC4 (Grade 5), TC4 ELI (Grade 5), Ti-13Nb-13Zr, TNZT | Künstliche Gelenke, Dentalimplantate, Wirbelsäulenstäbe und Schrauben |
| Luft- und Raumfahrt | Hohe Festigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit, Leichtgewicht | TC4 (Grade 5), Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-10V-2Fe-3Al | Flugzeugrumpf, Triebwerksflügel, Geräte |
| Chemie & Korrosionsbeständigkeit | Beständigkeit gegen Säuren/Lauge, Meerwasser | Grade 1/2 (Rein-Ti), Ti-15Mo, Ti-32Mo | Chemische Reaktoren, Meerwasseraufbereitungsanlagen, Ölrohre |
| Medizinische Geräte | Hohe Festigkeit, einfache Verarbeitung, Korrosionsbeständigkeit | Grade 9, TC4 (Grade 5), Grade 23, Ti-6Al-4V ELI | Instrumente (z. B. Hemostaten, Zangen), Medizinschrauben, Ultraschallsondegehäuse |
| Sportgeräte | Leichtgewicht, hohe Festigkeit, Ästhetik | TC4 (Grade 5), Ti-6Al-4V | Golfschlägerköpfe, Fahrradrahmen, Trekkingstöcke |
4. Grade-Vergleichstabelle
Bei der Produktion muss man oft internationale Bestellungen (z. B. ASTM-, ISO-Normen) mit inländischen Beschaffungsnormen abstimmen. Die folgende Tabelle zeigt die Übereinstimmung der Kern-Grade:
| Chinesisch (GB/T 2965/3620) | Amerikanische Norm (ASTM B265) | Internationale Norm (ISO 5832-2) | Typ |
| TA1 | Grade 1 | Grade 1 | Rein-Titan |
| TA2 | Grade 2 | Grade 2 | Rein-Titan |
| TA3 | Grade 3 | Grade 3 | Rein-Titan |
| TA4 | Grade 4 | Grade 4 | Rein-Titan |
| TC4 | Grade 5 | Grade 5 | α+β-Legierung |
| TC4 ELI | Grade 23 | Grade 23 | α+β-Legierung (medizinisch) |
| TC11 | Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo | – | α+β-Legierung |
| TB6 | Ti-15Mo | – | β-Legierung |
5. Spezielle Anforderungen an medizinische Titan-Grade
Bei der Produktion von medizinischen Titanmaterialien sind folgende zwei Punkte zusätzlich zu beachten:
Medizinische Qualitäten (z.B. Klasse 5 ELI, TNZT) erfordern strengere Grenzen als industrielle Qualitäten: C≤0,08%, O≤0,13%, N≤0,05%, H≤0,015%. Eine strenge Kontrolle ist während des Schmelzprozesses erforderlich (Vakuumbogen-Remelting-Ofen).
Biokompatibilitätszertifizierung: Must ISO 10993-1 (Biologische Bewertung von Medizinprodukten) Tests bestanden haben, um sicherzustellen, dass keine Zytotoxicität oder Sensitizität besteht. Die Sortenwahl muss den YY/T 0640 (Schmiedeteitan und Titanlegierung für chirurgische Implantate) entsprechen.
Artikel Quellen:
Chinesische nationale Normen: GB/T 3620.1-2016 “Bezeichnung und chemische Zusammensetzung von Titan und Titanlegierungen”, GB/T 2965-2023 “Titan und Titanlegierungsstänge”, GB/T 13810-2017 “Schmiedeteitan und Titanlegierung für chirurgische Implantate”.
Internationale Normen: ISO 5832-2 “Implantate für die Chirurgie – Titan und Titanlegierungen – Teil 2: Schmiedeteitan”, ASTM B265 “Standardspezifikation für Titan und Titanlegierungsstreifen, Bleche und Platten”.
Industriematerialien: “Analyse des GB/T 2965-2023 ‘Titan- und Titanlegierungsbalken’-Standards” (Baoji Kehui Titanium Industry Co., Ltd.), “Total Materia Material Database – Titan Material Standards”, “Titan Material Grades and Chemical Composition Query Methods and Standard System Analysis”.
Unternehmens- und Industrienachrichten: Sichuan News Broadcast “Pangang: Erfolgreich gewalzte erste Spule aus TC4-Titanlegierung im Südwesten Chinas”, Guangming Online “Füllung inländischer Lücken, großer technologischer Durchbruch in Chongqing neue Materialforschung und -entwicklung”, China Nichteisenmetallnetzwerk “Nanjing Baotai entwickelt erfolgreich TC4-Titanlegierung-Casting-Doppelschichtblatt-Impeller”, Securities Daily “Ti-Gold Technology veröffentlicht Q3-Bericht, Layout in High-End-Titanlegierungen eröffnet langfristigen Wachstumsraum”, Das Papier “Welterstmals: Changzheng Hospital ersetzt die gesamte Gebärmutterhalswirbel des Patienten durch 3D-gedruckte Titanlegierung”, Nationale Medizinprodukteverwaltung “Biologisches Knieprothesensystem für den Markt genehmigt”