Slitiny titanu a hliníku

Přehled

Slitiny titanu a hliníku jsou třídou kovových materiálů, které obsahují směs titanu a hliníku. Jsou lehké, mají vysokou pevnost a vynikající odolnost proti korozi a oxidaci při vysokých teplotách.

Slitiny TiAl jsou díky své jedinečné kombinaci vlastností považovány za důležitý vysokoteplotní konstrukční materiál pro aplikace v leteckém a automobilovém průmyslu. Díky své nízké hustotě jsou lehčí než superslitiny na bázi niklu, přičemž si zachovávají pevnost a stabilitu při teplotách až 750 °C.

Klíčové vlastnosti Slitiny titanu a hliníku

Vlastnictví	Popis
Hustota	3,7 - 4,1 g/cm3, mnohem méně než u slitin niklu.
Síla	zachovávají si vysokou pevnost při teplotách až 750 °C
Tuhost	Vysoký modul pružnosti cca 160 GPa
Tažnost	Křehký při pokojové teplotě, ale při vysokých teplotách se stává křehčím.
Odolnost proti korozi	Vynikající odolnost proti korozi díky přítomnosti titanu
Odolnost proti oxidaci	Vytváří ochrannou oxidovou vrstvu, která zajišťuje dobrou odolnost proti oxidaci až do 750 °C.
Náklady	Dražší než slitiny titanu, ale levnější než slitiny niklu.

Typy slitin titanu a hliníku

Existují dva základní typy slitin titanu a hliníku:

Gamma TiAl slitiny

Slitiny gama TiAl mají lamelární mikrostrukturu a obsahují přibližně 45-48% titanu a zbytek hliníku. Pro zlepšení vlastností se také používají malé přídavky prvků, jako je niob, uhlík, bór a chrom.

Slitiny TiAl s gama fází nabízejí dobrou rovnováhu mezi nízkou hustotou, pevností, tažností a odolností proti oxidaci. Jsou to nejpoužívanější slitiny TiAl.

Alpha-2 Ti3Al slitiny

Alfa-2 Ti3Al slitiny obsahují přibližně 25% hliníku a mají hexagonální krystalovou strukturu. Nabízejí velmi vysokou pevnost v tahu, ale mají nižší tažnost a lomovou houževnatost ve srovnání se slitinami gama TiAl.

Slitiny Alpha-2 se obvykle používají při velmi vysokých teplotách nad 800 °C, například v turbodmychadlech.

Složení Slitiny titanu a hliníku

Slitiny titanu a hliníku obsahují titan jako hlavní složku, hliník a malé množství dalších prvků. Zde je uveden typický rozsah složení:

Slitinový prvek	Rozsah složení	Role
titan (Ti)	52-56%	Primární základní prvek
hliník (Al)	44-48%	Hlavní legující prvek s Ti
niob (Nb)	Až 2%	Zvyšuje pevnost a odolnost proti tečení
Chrom (Cr)	Až 2%	Zvyšuje odolnost proti oxidaci
Bór (B)	Až 0,2%	Zlepšuje tažnost
uhlík (C)	Až 0,1%	Zvyšuje sílu
křemík (Si)	0.1-1%	Zvyšuje odolnost proti oxidaci
Wolfram (W)	0.1-1%	Zjemňuje velikost zrn
molybden (Mo)	0.1-1%	Zvyšuje sílu

Procentuální zastoupení legujících prvků je přesně kontrolováno, aby bylo dosaženo správné mikrostruktury a vlastností slitiny.

Klíčové vlastnosti slitin titanu a hliníku

Pevnostní vlastnosti slitiny titanu a hliníku

Vlastnictví	Hodnota	Popis
Pevnost v tahu	500 - 1100 MPa	Velmi vysoká pevnost ve srovnání se slitinami titanu
Mez kluzu (posun 0,2%)	400 - 1000 MPa	Míra pružnosti slitiny
Pevnost v tlaku	600 - 1500 MPa	Vynikající pevnost v tlaku
Pevnost v tahu	100 - 350 MPa	Schopnost odolávat zatížení při vysokých teplotách
Lomová houževnatost	15 - 35 MPa√m	Odolnost proti šíření trhlin je nižší než u niklových slitin.

Fyzikální vlastnosti

Vlastnictví	Hodnota
Hustota	3,7 - 4,1 g/cm3
Bod tání	1360°C - 1460°C
Tepelná vodivost	6 - 25 W/mK
Elektrický odpor	150 - 250 μΩ.cm
Koeficient tepelné roztažnosti	11 - 13 x 10-6 /K

Mechanické vlastnosti při pokojové teplotě

Vlastnictví	Hodnota	Popis
Tvrdost	300 - 400 HV	Měření odolnosti proti vtisku
Youngův modul	150 - 160 GPa	Měření tuhosti
Modul ve smyku	60 - 65 GPa	Míra tuhosti
Poissonův poměr	0.25 – 0.34	Poměr vztahující se k deformaci ve směrech kolmých a rovnoběžných k působícímu zatížení
Obrobitelnost	Obtížné	Náročné na obrábění ve srovnání s ocelí

Aplikace a použití Slitiny titanu a hliníku

Slitiny titanu a hliníku se používají v široké škále vysoce výkonných technických aplikací. Některé klíčové způsoby použití jsou:

Použití v leteckém průmyslu

• Součásti leteckých motorů, jako jsou lopatky, disky, kryty sání vzduchu.
• Konstrukce draku a křídla vysokorychlostních letadel
• součásti kosmických vozidel díky kombinaci nízké hmotnosti a teplotní odolnosti.

Použití v automobilovém průmyslu

• Turbínová kola a skříně turbodmychadel
• ojnice, ventily, pružiny a spojovací prvky u vysoce výkonných motorů
• Součásti pro motorsport, jako jsou ojnice a ventily.

Další aplikace

• Součásti motorů plynových turbín, výroba energie a námořní aplikace
• Biomedicínské implantáty, jako jsou umělé kyčelní klouby.
• Sportovní zboží, jako jsou rámy jízdních kol, golfové hole.

Zde je porovnání použití titanových slitin hliníku s alternativami:

aplikace	Slitiny TiAl	Alternativní materiály
Letecké motory	✅ Vynikající poměr pevnosti a hmotnosti až do 750 °C jej předurčuje pro lopatky, lopatky, hřídele.	Niklové superslitiny mají vyšší teplotní odolnost, ale jsou těžší.
Automobilová turbodmychadla	✅ Dobrá rovnováha mezi vysokou pevností, teplotní odolností a nižší hustotou než u niklových slitin.	Slitiny niklu odolávají vyšším špičkovým teplotám.
Letouny	✅ 20-35% lehčí než slitiny titanu se stejnou pevností pro křídla, ocasní plochy a trup letadel	Slitiny titanu mají vyšší lomovou houževnatost
Biomedicínské implantáty	✅ Obsahuje titan, který umožňuje přirozené spojení s lidskou kostí	Běžně se používá také nerezová ocel, kobalt-chromové slitiny.

Průmyslové normy a specifikace

Některé široce používané průmyslové normy pro slitiny titanu a hliníku jsou:

Standard	Popis
AMS 4928	Standardní specifikace pro plechy, pásy a desky ze slitiny hliníku titanu gama
AMS 4965	Norma pro gama slitiny oxidu titaničitého zpracované práškovou metalurgií
AMS 4972	Standardní specifikace pro tyče, pruty a dráty z alfa-beta nebo beta aluminidů titanu
ISO 21365	Specifikace strukturních gama slitin TiAl
ASTM B381	Standardní klasifikace slitin titanu, hliníku a vanadu pro chirurgické implantáty

Výrobky ze slitin jsou nabízeny v různých jakostních třídách, které splňují různé normy pro chemické složení, mikrostrukturu a mechanické vlastnosti.

Některé běžné třídy titanového hliníku jsou:

• Ti-48Al-2W-0,5Si (AMS 4928)
• Ti-47Al-2Cr-2Nb (ISO 21365 třída 5)
• Ti-45Al-5Nb-0,2C-0,2B (AMS 4965 Grade 5)

Dodavatelé a náklady

Mezi přední světové dodavatele slitin titanu a hliníku patří:

Dodavatel	Nabízené třídy	Výrobní metody
VSMPO	Ti-47Al-2Cr-2Nb<br>Ti-48Al-2Cr-2Nb-1Ta-0.7W	Investiční lití<br>Kování
ATI	Ti-48Al-2W-0,5Si<br>Ti-47Al-2Cr-2Nb	Přesné lití<br>Prášková metalurgie
Společnost Precision Castparts Corp	Vlastní slitiny	Investiční lití
Plansee	TiAl gama slitiny	Prášková metalurgie

Slitiny titanu a hliníku jsou dražší než slitiny titanu, ale levnější než superslitiny na bázi niklu. Některé typické odhady cen jsou:

Třída	Odhad ceny
Ti-48Al-2Cr-2Nb	$85 - $125 na kg
Ti-47Al-2W-0,5Si	$100 - $150 za kg
Vlastní slitiny TiAl	$150 - $250 za kg

Ceny se liší v závislosti na objemu objednávky, specifikacích velikosti, požadavcích na certifikaci a dalších úpravách.

Výhody a omezení slitin titanu a hliníku

Výhody a přednosti

• Velmi vysoká měrná pevnost - vysoký poměr pevnosti k hmotnosti
• Vynikající zachování pevnosti až do 750 °C
• Dobrá odolnost proti vlivům prostředí - oxidaci, hoření a korozi
• Nižší náklady než u superslitin niklu a kobaltu
• Určitá zpracovatelnost za tepla při kování, válcování

Nedostatky a omezení

• Obtíže při zpracování - obrábění za tepla i obrábění
• Křehké chování při pokojové teplotě
• Relativně nízká lomová houževnatost
• Maximální teplota použití je omezena na 750 °C
• Podléhá absorpci vodíku a vlhkosti

Zde je srovnání výhod a nevýhod v porovnání s alternativami:

Parametr	Slitiny TiAl	Niklové superslitiny	Titanové slitiny
Pevnost při vysokých teplotách	Vhodné do 750 °C	✅ Vynikající při teplotách nad 900 °C	Špatný nad 500 °C
Hustota	✅ Nejnižší	Vyšší	Srovnatelné
Odolnost proti oxidaci	Vhodné do 750 °C	✅ Nejlepší při teplotě nad 800 °C	Špatný nad 550 °C
Náklady	✅ Nižší	Nejvyšší	Vyšší
Zpracovatelnost	Špatný	Dobrý	✅ Nejlepší
Odolnost vůči poškození	Špatný	Dobrý	✅ Vynikající

Nejčastější dotazy

Otázka: Co jsou gama aluminidy titanu?

A: Gama TiAl aluminidy jsou intermetalické slitiny obsahující titan (Ti) a hliník (Al) s krystalovou strukturou fáze gama (γ). Mají uspořádané lamelární uspořádání atomů Ti a Al. Gama TiAl je nejčastěji používaným typem slitiny.

Otázka: Proč se slitiny TiAl používají v letectví a kosmonautice?

Odpověď: Slitiny TiAl nabízejí vynikající kombinaci nízké hustoty a dobrých mechanických vlastností až do 750 °C. To umožňuje navrhovat lehčí a účinnější součásti leteckých motorů s použitím TiAl namísto mnohem těžších niklových slitin.

Otázka: Jaké jsou příklady součástí turbodmychadla z TiAl?

Odpověď: Slitiny TiAl se stále častěji používají k výrobě kol a skříní turbodmychadel ve vysoce výkonných vznětových a zážehových motorech automobilů. Nízká hustota a teplotní odolnost zajišťují vyšší hustotu výkonu a účinnost.

Otázka: Jaké jsou hlavní problémy při použití slitin TiAl?

Odpověď: Obtížné zpracování odléváním, kováním a obráběním spolu s vlastní křehkostí při pokojové teplotě a nižší odolností proti poškození než u konkurenčních slitin vytváří překážky pro přijetí. Zpracovatelské metody a vývoj slitin však pokračují v pokroku.

Otázka: Jaký je typický limit obsahu kyslíku pro slitiny TiAl?

Odpověď: Kyslík je ve slitinách TiAl omezen na méně než 0,2%. Vyšší obsah kyslíku má negativní vliv na tažnost. Pro kontrolu příjmu kyslíku se používají pokročilé metody tavení a lití.

znát více procesů 3D tisku