Titan-Aluminium-Legierungen

Übersicht

Titan-Aluminium-Legierungen sind eine Klasse von metallischen Werkstoffen, die eine Mischung aus Titan und Aluminium enthalten. Sie sind leicht, haben eine hohe Festigkeit und eine ausgezeichnete Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen.

TiAl-Legierungen gelten aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaftskombination als wichtiger Hochtemperatur-Strukturwerkstoff für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie. Aufgrund ihrer geringen Dichte sind sie leichter als Superlegierungen auf Nickelbasis und behalten dennoch ihre Festigkeit und Stabilität bei Temperaturen von bis zu 750 °C.

Wichtige Eigenschaften von Titan-Aluminium-Legierungen

Eigentum	Beschreibung
Dichte	3,7 - 4,1 g/cm3, viel niedriger als Nickellegierungen
Stärke	Beibehaltung der hohen Festigkeit bei Temperaturen von bis zu 750°C
Steifigkeit	Hoher Elastizitätsmodul von etwa 160 GPa
Duktilität	Bei Raumtemperatur spröde, wird bei hohen Temperaturen jedoch dehnbarer
Korrosionsbeständigkeit	Hervorragende Korrosionsbeständigkeit durch das Vorhandensein von Titan
Oxidationsbeständigkeit	Bildung einer schützenden Oxidschicht, die eine gute Oxidationsbeständigkeit bis zu 750°C gewährleistet
Kosten	Teurer als Titanlegierungen, aber billiger als Nickellegierungen

Arten von Titan-Aluminium-Legierungen

Es gibt zwei Haupttypen von Titan-Aluminium-Legierungen:

Gamma-TiAl-Legierungen

Gamma-TiAl-Legierungen haben ein lamellares Gefüge und enthalten etwa 45-48% Titan, der Rest ist Aluminium. Geringe Zusätze von Elementen wie Niob, Kohlenstoff, Bor und Chrom werden ebenfalls zur Verbesserung der Eigenschaften verwendet.

Die Gamma-Phasen-TiAl-Legierungen bieten ein gutes Gleichgewicht zwischen geringer Dichte, Festigkeit, Duktilität und Oxidationsbeständigkeit. Sie sind die am häufigsten verwendeten TiAl-Legierungen.

Alpha-2 Ti3Al-Legierungen

Alpha-2-Ti3Al-Legierungen enthalten etwa 25% Aluminium und haben eine hexagonale Kristallstruktur. Sie bieten eine sehr hohe Zugfestigkeit, haben aber im Vergleich zu gamma-TiAl-Legierungen eine geringere Duktilität und Bruchzähigkeit.

Alpha-2-Legierungen werden in der Regel bei sehr hohen Temperaturen über 800 °C eingesetzt, z. B. in Turboladern.

Zusammensetzung der Titan-Aluminium-Legierungen

Titan-Aluminium-Legierungen enthalten Titan als Hauptbestandteil, Aluminium und kleine Mengen anderer Elemente. Hier ist der typische Bereich der Zusammensetzung:

Legierungselement	Zusammensetzung Bereich	Rolle
Titan (Ti)	52-56%	Primäres Basiselement
Aluminium (Al)	44-48%	Hauptlegierungselement mit Ti
Niobium (Nb)	Bis zu 2%	Erhöht die Festigkeit und Kriechbeständigkeit
Chrom (Cr)	Bis zu 2%	Erhöht die Oxidationsbeständigkeit
Bor (B)	Bis zu 0,2%	Verbessert die Duktilität
Kohlenstoff (C)	Bis zu 0,1%	Erhöht die Festigkeit
Silizium (Si)	0.1-1%	Verbessert die Oxidationsbeständigkeit
Wolfram (W)	0.1-1%	Verfeinert die Korngröße
Molybdän (Mo)	0.1-1%	Erhöht die Festigkeit

Die Anteile der Legierungselemente werden genau kontrolliert, um die richtige Mikrostruktur und die richtigen Eigenschaften der Legierung zu erreichen.

Wichtige Eigenschaften von Titan-Aluminium-Legierungen

Festigkeitseigenschaften von Titan-Aluminium-Legierungen

Eigentum	Wert	Beschreibung
Zugfestigkeit	500 - 1100 MPa	Sehr hohe Festigkeit im Vergleich zu Titanlegierungen
Streckgrenze (0,2% Offset)	400 - 1000 MPa	Maß für die elastische Festigkeit einer Legierung
Druckfestigkeit	600 - 1500 MPa	Ausgezeichnete Druckfestigkeit
Kriechfestigkeit	100 - 350 MPa	Fähigkeit, Belastungen bei hohen Temperaturen standzuhalten
Bruchzähigkeit	15 - 35 MPa√m	Der Widerstand gegen Rissausbreitung ist geringer als bei Nickellegierungen

Physikalische Eigenschaften

Eigentum	Wert
Dichte	3,7 - 4,1 g/cm3
Schmelzpunkt	1360°C - 1460°C
Wärmeleitfähigkeit	6 - 25 W/mK
Elektrischer spezifischer Widerstand	150 - 250 μΩ.cm
Wärmeausdehnungskoeffizient	11 - 13 x 10-6 /K

Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur

Eigentum	Wert	Beschreibung
Härte	300 - 400 HV	Maß für den Widerstand gegen Eindrücken
Elastizitätsmodul	150 - 160 GPa	Maß für die Steifigkeit
Schermodus	60 - 65 GPa	Maß für die Steifigkeit
Querkontraktionszahl	0.25 – 0.34	Verhältnis der Dehnungen in den Richtungen senkrecht und parallel zur aufgebrachten Last
Bearbeitbarkeit	Schwierig	Schwierig zu bearbeiten im Vergleich zu Stählen

Anwendungen und Einsatzmöglichkeiten von Titan-Aluminium-Legierungen

Titan-Aluminium-Legierungen werden in einer Vielzahl von technischen Hochleistungsanwendungen eingesetzt. Einige wichtige Anwendungen sind:

Verwendung in der Luft- und Raumfahrtindustrie

• Komponenten von Flugzeugtriebwerken wie Schaufeln, Scheiben, Lufteinlassverkleidungen
• Zelle und Flügelstrukturen in Hochgeschwindigkeitsflugzeugen
• Raumfahrzeugteile aufgrund der Kombination aus geringem Gewicht und Temperaturbeständigkeit

Verwendung in der Automobilindustrie

• Turbolader-Turbinenräder und -Gehäuse
• Pleuelstangen, Ventile, Federn und Verbindungselemente in Hochleistungsmotoren
• Motorsportkomponenten wie Pleuel und Ventile

Andere Anwendungen

• Teile für Gasturbinenmotoren, Stromerzeugung und Schiffsanwendungen
• Biomedizinische Implantate wie künstliche Hüftgelenke
• Sportartikel wie Fahrradrahmen, Golfschläger

Hier finden Sie einen Vergleich zwischen der Verwendung von Titan-Aluminium-Legierungen und Alternativen:

Anmeldung	TiAl-Legierungen	Alternative Materialien
Flugzeugtriebwerke	✅ Hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bis zu 750°C, daher geeignet für Schaufeln, Flügel und Wellen	Nickel-Superlegierungen haben eine höhere Temperaturbeständigkeit, sind aber schwerer
Turbolader für Kraftfahrzeuge	✅ Gute Ausgewogenheit von hoher Festigkeit, Temperaturbeständigkeit und geringerer Dichte als bei Nickellegierungen	Nickellegierungen können höheren Spitzentemperaturen standhalten
Flugzeuge	✅ 20-35% leichter als Titanlegierungen bei gleicher Festigkeit für Tragflächen, Leitwerke und Flugzeugrumpf	Titanlegierungen bieten höhere Bruchzähigkeit
Biomedizinische Implantate	✅ Enthält Titan, das eine natürliche Verbindung mit dem menschlichen Knochen ermöglicht	Rostfreier Stahl, Kobalt-Chrom-Legierungen werden ebenfalls häufig verwendet

Industrienormen und Spezifikationen

Einige weit verbreitete Industrienormen für Titan-Aluminium-Legierungen sind:

Standard	Beschreibung
AMS 4928	Standardspezifikation für Bleche, Streifen und Platten aus Gamma-Titanaluminid-Legierungen
AMS 4965	Norm für pulvermetallurgisch hergestellte Gamma-Titanaluminid-Legierungen
AMS 4972	Standardspezifikation für Alpha-Beta- oder Beta-Titanaluminide in Stäben, Stangen und Draht
ISO 21365	Spezifikation für strukturelle Gamma-TiAl-Legierungen
ASTM B381	Standardklassifizierung für Titan-Aluminium-Vanadium-Legierungen für chirurgische Implantate

Legierungsprodukte werden in einer Vielzahl von Qualitäten angeboten, die unterschiedliche Standards für Chemie, Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften erfüllen.

Einige gängige Titan-Aluminiumsorten sind:

• Ti-48Al-2W-0,5Si (AMS 4928)
• Ti-47Al-2Cr-2Nb (ISO 21365 Grad 5)
• Ti-45Al-5Nb-0.2C-0.2B (AMS 4965 Grad 5)

Lieferanten und Kosten

Zu den weltweit führenden Anbietern von Titan-Aluminium-Legierungen gehören:

Anbieter	Angebotene Klassenstufen	Produktionsmethoden
VSMPO	Ti-47Al-2Cr-2Nb<br>Ti-48Al-2Cr-2Nb-1Ta-0.7W	Feinguss<br>Schmieden
ATI	Ti-48Al-2W-0,5Si<br>Ti-47Al-2Cr-2Nb	Präzisionsguss<br>Pulvermetallurgie
Precision Castparts Corp.	Kundenspezifische Legierungen	Feinguss
Plansee	TiAl-Gamma-Legierungen	Pulvermetallurgie

Titan-Aluminium-Legierungen sind teurer als Titanlegierungen, aber billiger als Superlegierungen auf Nickelbasis. Einige typische Preisschätzungen sind:

Klasse	Kostenvoranschlag
Ti-48Al-2Cr-2Nb	$85 - $125 pro kg
Ti-47Al-2W-0,5Si	$100 - $150 pro kg
Kundenspezifische TiAl-Legierungen	$150 - $250 pro kg

Die Preise variieren je nach Auftragsvolumen, Größenspezifikationen, Zertifizierungsanforderungen und anderen Anpassungen.

Vorteile und Beschränkungen von Titan-Aluminium-Legierungen

Nutzen und Vorteile

• Sehr hohe spezifische Festigkeit - hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht
• Hervorragende Festigkeitserhaltung bis zu 750°C
• Gute Umweltbeständigkeit - Oxidation, Verbrennung und Korrosion
• Niedrigere Kosten als Nickel- und Kobalt-Superlegierungen
• Einige Warmumformbarkeit zum Schmieden, Walzen

Unzulänglichkeiten und Beschränkungen

• Schwierigkeiten bei der Verarbeitung - sowohl bei der Warmumformung als auch bei der Bearbeitung
• Sprödes Verhalten bei Raumtemperatur
• Relativ geringe Bruchzähigkeit
• Maximale Einsatztemperatur auf 750°C begrenzt
• Anfällig für Wasserstoff- und Feuchtigkeitsaufnahme

Hier finden Sie einen Vergleich der Vor- und Nachteile im Vergleich zu Alternativen:

Parameter	TiAl-Legierungen	Nickel-Superlegierungen	Titan-Legierungen
Hohe Temperaturbeständigkeit	Gut bis zu 750°C	✅ Ausgezeichnet über 900°C	Schlecht über 500°C
Dichte	✅ Niedrigste	Höher	Vergleichbar
Oxidationsbeständigkeit	Gut bis zu 750°C	✅ Am besten über 800°C	Schlecht über 550°C
Kosten	✅ Niedriger	Höchste	Höher
Verarbeitbarkeit	Schlecht	Gut	✅ Am besten
Schadenstoleranz	Schlecht	Gut	✅ Ausgezeichnet

FAQs

F: Was sind Gamma-Titanaluminide?

A: Gamma-TiAl-Aluminide sind intermetallische Legierungen, die Titan (Ti) und Aluminium (Al) mit einer Kristallstruktur der Gamma-Phase (γ) enthalten. Sie weisen eine geordnete lamellare Anordnung von Ti- und Al-Atomen auf. Gamma-TiAl ist der am häufigsten verwendete Legierungstyp.

F: Warum werden TiAl-Legierungen für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt in Betracht gezogen?

A: TiAl-Legierungen bieten eine hervorragende Kombination aus geringer Dichte und guten mechanischen Eigenschaften bis zu 750°C. Dadurch können leichtere und effizientere Triebwerkskomponenten unter Verwendung von TiAl anstelle von viel schwereren Nickellegierungen entwickelt werden.

F: Was sind einige Beispiele für TiAl-Turboladerkomponenten?

A: TiAl-Legierungen werden zunehmend zur Herstellung von Turboladerrädern und -gehäusen in Hochleistungsdiesel- und -benzinmotoren verwendet. Die geringe Dichte und Temperaturbeständigkeit sorgen für eine höhere Leistungsdichte und Effizienz.

F: Was sind die größten Herausforderungen bei der Verwendung von TiAl-Legierungen?

A: Die schwierige Verarbeitung durch Gießen, Schmieden und Zerspanen sowie die Sprödigkeit bei Raumtemperatur und die im Vergleich zu konkurrierenden Legierungen geringere Schadenstoleranz stellen Hindernisse für die Einführung dar. Die Verarbeitungsmethoden und die Legierungsentwicklung schreiten jedoch weiter voran.

F: Was ist der typische Grenzwert für den Sauerstoffgehalt von TiAl-Legierungen?

A: Der Sauerstoffgehalt in TiAl-Legierungen ist auf weniger als 0,2% begrenzt. Höhere Sauerstoffgehalte wirken sich negativ auf die Duktilität aus. Um die Sauerstoffaufnahme zu kontrollieren, werden fortschrittliche Schmelz- und Gießverfahren eingesetzt.

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