Titan Grade 5, med beteckningen Ti-6Al-4V, är en höghållfast titanlegering som kombinerar låg densitet med god korrosionsbeständighet och hög mekanisk prestanda. Materialet används bland annat inom flyg- och rymdindustrin, försvar, marin verksamhet, medicinteknik samt olje- och gasindustrin.
Legeringen innehåller ungefär 6 procent aluminium och 4 procent vanadin. Den är starkare än kommersiellt rena titankvaliteter och lämpar sig därför för komponenter som utsätts för stora statiska eller återkommande belastningar.
Invex levererar titan och titanlegeringar för industriella applikationer från lager och tillverkande verk.
Vad är Titan Grade 5?
Grade 5 är en alfa-beta-legering. Det innebär att materialets mikrostruktur består av både alfafas och betafas. Kombinationen ger en användbar balans mellan hållfasthet, brottseghet, utmattningsprestanda och möjlighet till värmebehandling.
Aluminium stabiliserar främst alfafasen, medan vanadin stabiliserar betafasen. Genom att kontrollera den kemiska sammansättningen, bearbetningen och värmebehandlingen kan materialets egenskaper anpassas efter olika användningsområden.
Ti-6Al-4V är den mest använda titanlegeringen internationellt och förekommer i de flesta vanliga produktformer, exempelvis:
- plåt
- sheet
- stång
- tråd
- billets
- smidda ämnen
- rör i vissa utföranden
- komponenter tillverkade genom additiv tillverkning
Tillgängliga produktformer, dimensioner och leveranstillstånd varierar mellan olika tillverkare och standarder.
Vanliga internationella beteckningar
Samma material kan förekomma under flera namn i tekniska dokument, standarder och offertförfrågningar:
- Titan Grade 5
- Titanium Grade 5
- Grade 5 Titanium
- Ti-6Al-4V
- Ti6Al4V
- Ti-6-4
- ASTM Grade 5
- UNS R56400
Uttrycket Ti-6Al-4V Grade 5 Titanium förekommer framför allt i engelskspråkiga datablad och produktbeskrivningar. Vid beställning bör alltid standard, produktform, dimension och leveranstillstånd anges utöver den allmänna materialbeteckningen.
Kemisk sammansättning för Ti-6Al-4V
Den kemiska sammansättningen regleras av den standard som materialet tillverkas enligt. Tabellen visar vanligt förekommande gränser för Grade 5 enligt ASTM-specifikationer.
| Ämne | Vanligt angivet intervall eller högsta halt |
|---|---|
| Aluminium | 5,5–6,75 % |
| Vanadin | 3,5–4,5 % |
| Järn | Högst 0,40 % |
| Syre | Högst 0,20 % |
| Kol | Högst 0,08 % |
| Kväve | Högst 0,05 % |
| Väte | Högst 0,015 % |
| Titan | Resterande andel |
Aluminium och vanadin påverkar legeringens mikrostruktur och mekaniska egenskaper. Även små mängder syre, järn och andra ämnen kan påverka bland annat hållfasthet, duktilitet och brottseghet.
Exakta gränsvärden ska alltid kontrolleras mot aktuell specifikation och materialintyg.
Mekaniska och fysiska egenskaper
Grade 5 erbjuder hög draghållfasthet i kombination med låg densitet. Detta ger ett mycket bra förhållande mellan styrka och vikt.
Följande värden är vägledande för glödgat material enligt vanligt förekommande ASTM-specifikationer:
| Egenskap | Vägledande värde |
|---|---|
| Densitet | Cirka 4,4 g/cm³ |
| Minsta brottgräns, Rm | Cirka 895 MPa |
| Minsta sträckgräns, Rp0,2 | Cirka 828 MPa |
| Minsta förlängning | Cirka 10 % |
| Elasticitetsmodul | Cirka 107–122 GPa |
| Smältintervall | Cirka 1 650–1 660 °C |
De mekaniska värdena påverkas av produktform, dimension, riktning, mikrostruktur, värmebehandling och leveranstillstånd. Uppgifterna ska därför inte användas som konstruktionsvärden utan kontroll mot aktuell materialspecifikation.
Hög hållfasthet och låg vikt
Densiteten är ungefär 40 procent lägre än för många stålsorter. Samtidigt kan legeringen uppnå hög hållfasthet, vilket gör den lämplig för viktkritiska konstruktioner.
Materialet används därför ofta där en komponent behöver bära stora laster utan att konstruktionen blir onödigt tung. Detta är särskilt värdefullt inom flyg, rymd, fordon och avancerad sportutrustning.
Att ersätta rostfritt stål med titan är dock inte en enkel jämförelse baserad på densitet. Konstruktion, styvhet, utmattning, tillverkning, korrosionsmiljö och kostnad måste också bedömas.
Mikrostruktur och värmebehandling
Ti-6Al-4V är en alfa-beta-legering vars egenskaper påverkas starkt av den termomekaniska historiken. Smidning, valsning, kylhastighet och efterföljande värmebehandling påverkar materialets mikrostruktur.
Ett vanligt leveranstillstånd är glödgat, på engelska annealed. Glödgning kan minska restspänningar och ge en användbar kombination av hållfasthet, duktilitet och dimensionsstabilitet.
Legeringen kan även lösningsbehandlas och åldras. En sådan värmebehandling kan höja hållfastheten, men kan samtidigt påverka duktilitet, brottseghet och dimensionsstabilitet.
Vilket tillstånd som passar bäst beror bland annat på:
- produktens dimension
- tillverkningsmetod
- mekanisk belastning
- krav på utmattningshållfasthet
- arbetstemperatur
- krav på brottseghet
- tillämplig standard
Värmebehandling bör därför bestämmas tillsammans med materialleverantör, tillverkare och konstruktionsansvarig.
Korrosionsbeständighet
När titan exponeras för syre bildas ett tunt och stabilt oxidskikt på ytan. Skiktet skyddar den underliggande metallen och ger Ti-6Al-4V mycket god beständighet mot allmän korrosion i många miljöer.
Legeringen har bland annat god motståndskraft i:
- havsvatten
- marina atmosfärer
- flera kloridhaltiga miljöer
- vissa kemiska processmedier
- många industriella miljöer
Beständigheten beror på hela driftsmiljön. Kemisk koncentration, temperatur, syretillgång, spalter, flödeshastighet och kontakt med andra metaller behöver alltid bedömas.
För applikationer där korrosionsbeständighet är det huvudsakliga kravet kan kommersiellt rent titan, exempelvis Grade 2, ibland vara ett mer ändamålsenligt och lättformat alternativ. I särskilt krävande reducerande miljöer kan palladiumlegerade kvaliteter behövas.
Utmattning och brottseghet
Komponenter inom flyg, fordon och annan avancerad industri utsätts ofta för upprepade belastningar. Därför är utmattningsprestandan minst lika viktig som den statiska draghållfastheten.
Grade 5 har god utmattningshållfasthet, men resultatet påverkas av flera faktorer:
- ytjämnhet
- repor och bearbetningsmärken
- radier och geometriska övergångar
- restspänningar
- mikrostruktur
- värmebehandling
- svetsar
- korrosionsmiljö
- belastningens riktning och amplitud
Skarpa hörn, ytdefekter och felaktig bearbetning kan skapa spänningskoncentrationer och förkorta komponentens livslängd. Konstruktion och tillverkning måste därför planeras med hänsyn till både statisk belastning och utmattning.
Egenskaper vid förhöjd temperatur
Ti-6Al-4V kan behålla användbara mekaniska egenskaper vid förhöjd temperatur och används i vissa applikationer upp till omkring 350 °C. Den exakta temperaturgränsen beror dock på belastning, exponeringstid, miljö, produktform och krav på krypning eller oxidation.
En temperaturuppgift från ett datablad ska inte användas som en generell maximal arbetstemperatur. För kontinuerlig drift behöver konstruktören kontrollera tillåtna spänningar och övriga krav enligt relevant standard och leveranstillstånd.
Svetsning av Grade 5
Legeringen kan svetsas med flera metoder, förutsatt att fogområdet är rent och skyddas från omgivande luft. TIG-svetsning, lasersvetsning och elektronstrålesvetsning är exempel på förekommande metoder.
Vid hög temperatur reagerar titan lätt med syre, kväve och väte. Otillräckligt gasskydd kan orsaka missfärgning, sprödhet och försämrade mekaniska egenskaper.
Vid svetsning är det viktigt med:
- noggrann rengöring av fogytor
- rena verktyg och tillsatsmaterial
- inert skyddsgas, vanligtvis argon
- skydd av svetsens rotsida
- begränsad kontaminering från fett, fukt och främmande metaller
- kontroll av värmetillförsel och eventuell missfärgning
- en kvalificerad svetsprocedur för den aktuella applikationen
Svetsningen förändrar mikrostrukturen i svetsgodset och den värmepåverkade zonen. För högt belastade eller säkerhetskritiska konstruktioner kan därför ytterligare kontroll och provning krävas.
Bearbetning av Ti-6Al-4V
Materialet kan bearbetas med konventionella metoder, men är mer krävande än många stål- och aluminiumlegeringar. Den låga värmeledningsförmågan gör att värme koncentreras nära skäreggen, vilket kan orsaka snabbt verktygsslitage.
Legeringen har också en tendens att reagera med verktygsmaterialet vid hög temperatur. Bearbetningen bör därför ske med anpassade skärdata och effektiv kylning.
Viktiga faktorer är:
- skarpa och styva verktyg
- stabil uppspänning
- måttlig skärhastighet
- jämn och tillräcklig matning
- effektiv kylning
- begränsad gnidning
- korta verktygsutstick
- god kontroll över spånbildningen
Materialet kan även kapas, vattenskäras och formas. Valet av metod beror på produktform, dimension, toleranskrav och efterföljande tillverkningssteg.
Invex kan tillsammans med sina samarbetspartner hjälpa till med kapning, vattenskärning och andra materialanpassade tjänster.
Additiv tillverkning med Ti-6Al-4V
Ti-6Al-4V är ett vanligt material inom additiv tillverkning av metallkomponenter. Tekniken kan användas för att producera komplexa geometrier, interna kanaler och viktoptimerade strukturer som är svåra att tillverka med traditionella metoder.
Komponentens egenskaper påverkas av bland annat:
- pulvrets kvalitet och partikelstorlek
- syrehalt
- byggparametrar
- byggriktning
- porositet
- restspänningar
- efterföljande värmebehandling
- varm isostatisk pressning
- ytbehandling
Additivt tillverkat material kan därför inte utan vidare jämställas med valsad eller smidd produkt. Krav på provning och dokumentation måste anpassas efter tillverkningsmetoden och den aktuella applikationen.
Användning inom flyg- och rymdindustrin
Inom aerospace används legeringen i komponenter där låg vikt, hög hållfasthet och utmattningsprestanda är viktiga.
Exempel är:
- delar till flygplansstrukturer
- infästningar
- landningsställskomponenter
- delar till jetmotorer
- raketkomponenter
- tryckkärl
- andra högt belastade strukturer
Flygmaterial måste uppfylla särskilda krav på standarder, tillverkningsprocesser, spårbarhet och kvalitetskontroll. En allmän beteckning som Ti-6Al-4V är därför inte tillräcklig för att specificera material till en flygkomponent.
Marin verksamhet samt olja och gas
Legeringens kombination av hållfasthet och korrosionsbeständighet gör den användbar inom marin verksamhet samt offshore oil and gas.
Exempel på tillämpningar är:
- högt belastade marina komponenter
- ventiler och infästningar
- delar till offshoreutrustning
- komponenter i trycksatta system
- geotermiska brunnar
- utrustning som exponeras för havsvatten
Den faktiska miljön måste alltid analyseras. Temperatur, tryck, kemiska ämnen, spalter och galvanisk kontakt med andra material kan påverka livslängden.
Medicinteknik och skillnaden mot Grade 23
Grade 5 förekommer inom medicinteknik, men för kirurgiska implantat används ofta Grade 23, även kallad Ti-6Al-4V ELI. ELI betyder Extra Low Interstitial och innebär lägre halter av framför allt syre och andra interstitiella ämnen.
Den lägre halten kan ge bättre duktilitet och brottseghet, vilket är värdefullt i kirurgiska implantatapplikationer. Grade 23 omfattas bland annat av ASTM F136 när det gäller bearbetad Ti-6Al-4V ELI för implantat.
Det räcker inte att materialet benämns titan eller Ti-6Al-4V. Medicinska produkter kräver rätt standard, dokumenterad tillverkningsprocess, materialintyg och fullständig spårbarhet.
Skillnaden mellan Grade 2 och Grade 5
Grade 2 är kommersiellt rent titan och prioriterar korrosionsbeständighet, duktilitet och formning. Grade 5 är en legering som erbjuder högre hållfasthet men är mer krävande att forma och bearbeta.
| Egenskap | Grade 2 | Grade 5 |
|---|---|---|
| Materialtyp | Kommersiellt rent | Alfa-beta-legering |
| Hållfasthet | Måttlig | Mycket hög |
| Formbarhet | Mycket god | Mer begränsad |
| Korrosionsbeständighet | Mycket god i många miljöer | God till mycket god i många miljöer |
| Vanliga tillämpningar | Process, kemi och marin verksamhet | Flyg, försvar och belastade komponenter |
Valet ska baseras på applikationens krav, inte enbart på vilken kvalitet som har högst hållfasthet.
Läs även Titan Grade 2 eller Grade 5 – vilken kvalitet ska man välja?.
Vanliga standarder för Grade 5
Rätt standard beror på produktform och användningsområde. Exempel på vanligt förekommande specifikationer är:
- ASTM B265 för plåt, sheet och band
- ASTM B348/B348M för stång och billets
- ASTM B381 för smidda produkter
- ASTM F1472 för bearbetad Ti-6Al-4V avsedd för kirurgiska implantat
- AMS 4911 för plåt och sheet inom bland annat flygindustrin
- AMS 4928 för stång, tråd, smiden och ringar
Grade 23 för kirurgiska implantat omfattas i stället vanligtvis av ASTM F136.
Standardbeteckningen ska kontrolleras mot aktuell utgåva och produktform. Vid beställning bör även dimension, leveranstillstånd, mängd och krav på materialintyg anges.
När är Grade 5 rätt val?
Ti-6Al-4V är ofta lämpligt när:
- konstruktionen utsätts för hög mekanisk belastning
- låg vikt är viktig
- god utmattningshållfasthet krävs
- komponenten ska användas inom flyg eller försvar
- både hållfasthet och korrosionsmotstånd behövs
- materialet ska kunna värmebehandlas för anpassade egenskaper
En annan titankvalitet kan vara bättre när:
- omfattande kallformning krävs
- korrosionsbeständighet är det huvudsakliga kravet
- den mekaniska belastningen är måttlig
- applikationen kräver särskild beständighet i reducerande syror
- en specifik medicinsk standard kräver Grade 23
Materialvalet ska alltid grundas på konstruktionens samlade krav och verifieras mot relevant standard.
Vanliga frågor om Ti-6Al-4V
Vad betyder Ti-6Al-4V?
Beteckningen visar legeringens huvudsakliga sammansättning: titan med ungefär 6 procent aluminium och 4 procent vanadin.
Är Grade 5 rent titan?
Nej. Det är en legerad kvalitet. Kommersiellt rena alternativ är bland annat Grade 1, Grade 2, Grade 3 och Grade 4.
Är materialet starkare än rostfritt stål?
Legeringen har hög hållfasthet i förhållande till sin vikt. Om den är starkare än ett visst rostfritt stål beror på vilken stålkvalitet, vilket leveranstillstånd och vilka egenskaper som jämförs.
Har Grade 5 god korrosionsbeständighet?
Ja, materialet har mycket god beständighet mot allmän korrosion i många miljöer, inklusive havsvatten. Det är däremot inte motståndskraftigt mot alla kemiska ämnen och förhållanden.
Kan Ti-6Al-4V svetsas?
Ja, legeringen kan svetsas med flera metoder. Fogområdet måste vara rent och skyddas med inert gas eller vakuum under svetsningen.
Kan materialet värmebehandlas?
Ja. Det kan bland annat glödgas samt lösningsbehandlas och åldras. Behandlingen påverkar mikrostruktur, hållfasthet, duktilitet och brottseghet.
Är Grade 5 och Grade 23 samma material?
De är båda baserade på Ti-6Al-4V, men Grade 23 har lägre halter av interstitiella ämnen. Den varianten används ofta när hög duktilitet och brottseghet krävs, exempelvis i medicinska implantat.
Titan Grade 5 från Invex
Titan Grade 5 är ett lämpligt material för konstruktioner som kräver låg vikt, hög hållfasthet, god utmattningsprestanda och korrosionsbeständighet. Materialets slutliga egenskaper påverkas dock av produktform, mikrostruktur, värmebehandling och tillverkningsmetod.
Invex levererar Ti-6Al-4V i flera produktformer och kan hjälpa till att matcha kvalitet, standard och leveranstillstånd mot applikationens krav. Vid behov kan materialet även lagerhållas för avropsorder eller anpassas genom kapning, vattenskärning och bearbetning tillsammans med Invex samarbetspartner.
Kontakta Invex för materialrådgivning eller en offert på Ti-6Al-4V.
