Titanium Aluminium Legeringen
Inhoudsopgave
Overzicht
Titanium Aluminium Legeringen zijn een klasse metalen die een mengsel van titanium en aluminium bevatten. Ze zijn licht van gewicht, zeer sterk en uitstekend bestand tegen corrosie en oxidatie bij hoge temperaturen.
TiAl-legeringen worden beschouwd als een belangrijk constructiemateriaal voor hoge temperaturen in luchtvaart- en automobieltoepassingen vanwege hun unieke combinatie van eigenschappen. Door hun lage dichtheid zijn ze lichter dan superlegeringen op basis van nikkel, terwijl ze toch sterk en stabiel blijven bij temperaturen tot 750°C.
Belangrijkste eigenschappen van Titanium Aluminium Legeringen
| Eigendom | Beschrijving |
|---|---|
| Dikte | 3,7 - 4,1 g/cm3, veel lager dan nikkellegeringen |
| Kracht | Behoud hoge sterkte bij temperaturen tot 750°C |
| Stijfheid | Hoge elasticiteitsmodulus van ongeveer 160 GPa |
| Ductiliteit | Bros bij kamertemperatuur maar wordt kneedbaarder bij hoge temperaturen |
| Corrosieweerstand | Uitstekende corrosiebestendigheid door de aanwezigheid van titanium |
| Oxidatie weerstand | Vormt een beschermende oxidelaag wat resulteert in een goede oxidatieweerstand tot 750°C |
| Kosten | Duurder dan titaniumlegeringen maar goedkoper dan nikkellegeringen |
Soorten titanium aluminium legeringen
Er zijn twee hoofdtypen titanium aluminiumlegeringen:
Gamma TiAl Legeringen
Gamma TiAl-legeringen hebben een lamellaire microstructuur en bevatten ongeveer 45-48% titanium en de rest aluminium. Kleine toevoegingen van elementen zoals niobium, koolstof, boor en chroom worden ook gemaakt om de eigenschappen te verbeteren.
De gammafase TiAl-legeringen bieden een goede balans tussen lage dichtheid, sterkte, taaiheid en oxidatiebestendigheid. Het zijn de meest gebruikte TiAl-legeringen.
Alfa-2 Ti3Al Legeringen
Alfa-2 Ti3Al legeringen bevatten ongeveer 25% aluminium en hebben een hexagonale kristalstructuur. Ze bieden een zeer hoge treksterkte, maar hebben een lagere ductiliteit en breuktaaiheid in vergelijking met gamma TiAl-legeringen.
Alfa-2 legeringen worden meestal gebruikt in toepassingen met zeer hoge temperaturen boven 800°C, zoals in turboladers.
Samenstelling van Titanium Aluminium Legeringen
Titaanaluminiumlegeringen bevatten titanium als hoofdbestanddeel, met aluminium en kleine hoeveelheden van andere elementen. Hier is de typische samenstelling:
| Legeringselement | Samenstelling bereik | Rol |
|---|---|---|
| Titaan (Ti) | 52-56% | Primair basiselement |
| Aluminium (Al) | 44-48% | Belangrijkste legeringselement met Ti |
| Niobium (Nb) | Tot 2% | Verhoogt sterkte en kruipweerstand |
| Chroom (Cr) | Tot 2% | Verhoogt de weerstand tegen oxidatie |
| Borium (B) | Tot 0,2% | Verbetert vervormbaarheid |
| Koolstof (C) | Tot 0,1% | Verhoogt de kracht |
| Silicium (Si) | 0.1-1% | Verbetert de oxidatiebestendigheid |
| Wolfraam (W) | 0.1-1% | Verfijnt de korrelgrootte |
| Molybdeen (Mo) | 0.1-1% | Verhoogt de kracht |
De percentages legeringselementen worden nauwkeurig geregeld om de juiste microstructuur en eigenschappen in de legering te krijgen.
Essentiële eigenschappen van titanium aluminiumlegeringen
Titanium Aluminiumlegering Sterkte-eigenschappen
| Eigendom | Waarde | Beschrijving |
|---|---|---|
| Treksterkte | 500 - 1100 MPa | Zeer hoge sterkte vergeleken met titaniumlegeringen |
| Opbrengststerkte (0,2% offset) | 400 - 1000 MPa | Maat voor de elastische sterkte in een legering |
| Druksterkte | 600 - 1500 MPa | Uitstekende druksterkte |
| Kruipsterkte | 100 - 350 MPa | Bestand tegen belastingen bij hoge temperaturen |
| Breuktaaiheid | 15 - 35 MPa√m | Weerstand tegen scheurgroei is lager dan bij nikkellegeringen |
Fysieke eigenschappen
| Eigendom | Waarde |
|---|---|
| Dikte | 3,7 - 4,1 g/cm3 |
| Smeltpunt | 1360°C - 1460°C |
| Warmtegeleiding | 6 - 25 W/mK |
| Elektrische weerstand | 150 - 250 μΩ.cm |
| Uitzettingscoëfficiënt | 11 - 13 x 10-6 /K |
Mechanische eigenschappen bij kamertemperatuur
| Eigendom | Waarde | Beschrijving |
|---|---|---|
| Hardheid | 300 - 400 HV | Maat voor weerstand tegen indrukking |
| Young-modulus | 150 - 160 GPa | Maat voor stijfheid |
| Afschuifmodulus | 60 - 65 GPa | Maatstaf voor stijfheid |
| Poisson-ratio | 0.25 – 0.34 | Verhouding tussen rek in richtingen loodrecht op en parallel aan toegepaste belasting |
| Bewerkbaarheid | Moeilijk | Uitdagend om te bewerken in vergelijking met staal |
Toepassingen en gebruik van Titanium Aluminium Legeringen
Titaanaluminiumlegeringen worden gebruikt in een breed scala aan hoogwaardige technische toepassingen. Enkele belangrijke toepassingen zijn:
Gebruik in de ruimtevaartindustrie
- Onderdelen van vliegtuigmotoren zoals schoepen, schijven, luchtinlaatkappen
- Casco- en vleugelstructuren in hogesnelheidsvliegtuigen
- Onderdelen voor ruimtevoertuigen door combinatie van laag gewicht en temperatuurbestendigheid
Gebruik in de auto-industrie
- Turboladers turbinewielen en behuizingen
- Drijfstangen, kleppen, veren en bevestigingsmiddelen in krachtige motoren
- Motorsportonderdelen zoals drijfstangen en kleppen
Andere applicaties
- Onderdelen voor gasturbinemotoren, energieopwekking en scheepvaarttoepassingen
- Biomedische implantaten zoals kunstmatige heupgewrichten
- Sportartikelen zoals fietsframes, golfclubs
Hier is een vergelijking van het gebruik van titanium aluminiumlegeringen versus alternatieven:
| Sollicitatie | TiAl Legeringen | Alternatieve materialen |
|---|---|---|
| Vliegtuigmotoren | ✅ Uitstekende sterkte-gewichtsverhouding tot 750°C maakt het geschikt voor bladen, schoepen, assen | Nikkel superlegeringen kunnen hogere temperaturen aan, maar zijn zwaarder |
| Turbo-opladers | ✅ Goede balans tussen hoge sterkte, temperatuurbestendigheid en lagere dichtheid dan nikkellegeringen | Nikkellegeringen zijn bestand tegen hogere piektemperaturen |
| Vliegtuigen | 20-35% lichter dan titaanlegeringen met gelijkwaardige sterkte voor vliegtuigvleugels, -staarten en -rompen | Titaniumlegeringen bieden een hogere breuktaaiheid |
| Biomedische implantaten | Bevat titanium dat een natuurlijke hechting aan menselijk bot mogelijk maakt | Roestvrij staal, kobaltchroomlegeringen ook vaak gebruikt |
Industriestandaarden en specificaties
Enkele veelgebruikte industriestandaarden voor titanium aluminium legeringen zijn:
| Standaard | Beschrijving |
|---|---|
| AMS 4928 | Standaardspecificatie voor plaat, band en plaat van gamma titaanaluminidelegering |
| AMS 4965 | Norm voor gamma titaanaluminide legeringen bewerkt door poedermetallurgie |
| AMS 4972 | Standaardspecificatie voor staven en draad van alfa-bèta of bèta titaanaluminiden |
| ISO 21365 | Specificatie voor structurele gamma-TiAl-legeringen |
| ASTM B381 | Standaardclassificatie voor titaan-aluminium-vanadium legeringen voor chirurgische implantaten |
Legeringsproducten worden aangeboden in verschillende kwaliteiten die voldoen aan verschillende normen voor chemie, microstructuur en mechanische eigenschappen.
Enkele veel voorkomende titanium aluminium soorten zijn:
- Ti-48Al-2W-0,5Si (AMS 4928)
- Ti-47Al-2Cr-2Nb (ISO 21365 graad 5)
- Ti-45Al-5Nb-0.2C-0.2B (AMS 4965 graad 5)
Leveranciers en kosten
Enkele toonaangevende wereldwijde leveranciers van titanium-aluminiumlegeringen zijn:
| Leverancier | Aangeboden rangen | Productie methodes |
|---|---|---|
| VSMPO | Ti-47Al-2Cr-2Nb<br>Ti-48Al-2Cr-2Nb-1Ta-0.7W | Investeringsgieten<br>Smeden |
| ATI | Ti-48Al-2W-0,5Si<br>Ti-47Al-2Cr-2Nb | Precisiegieten<br>Poeder-Metallurgie |
| Precision Castparts Corp | Aangepaste legeringen | Investeringsgieten |
| Plansee | TiAl gamma legeringen | Poeder-Metallurgie |
Titaanaluminiumlegeringen zijn duurder dan titaanlegeringen maar goedkoper dan superlegeringen op nikkelbasis. Enkele typische prijsschattingen zijn:
| Cijfer | Prijsschatting |
|---|---|
| Ti-48Al-2Cr-2Nb | $85 - $125 per kg |
| Ti-47Al-2W-0,5Si | $100 - $150 per kg |
| TiAl-legeringen op maat | $150 - $250 per kg |
De prijzen variëren op basis van het bestelvolume, de specificaties van de afmetingen, de certificeringsvereisten en andere aanpassingen.
Voordelen en beperkingen van titaan- en aluminiumlegeringen
Voordelen en voordelen
- Zeer hoge specifieke sterkte - hoge sterkte-gewichtsverhouding
- Uitstekend sterktebehoud tot 750°C
- Goede omgevingsbestendigheid - oxidatie, verbranding en corrosie
- Lagere kosten dan superlegeringen van nikkel en kobalt
- Enige warme verwerkbaarheid voor smeden, walsen
Tekortkomingen en beperkingen
- Moeilijkheden bij de verwerking - zowel warmbewerking als machinale bewerking
- Bros gedrag bij kamertemperatuur
- Relatief lage breuktaaiheid
- Maximale gebruikstemperatuur beperkt tot 750°C
- Onderhevig aan waterstof- en vochtabsorptie
Hier volgt een vergelijking van de voor- en nadelen ten opzichte van alternatieven:
| Parameter | TiAl Legeringen | Nikkel-superlegeringen | Titanium legeringen |
|---|---|---|---|
| Sterkte op hoge temperatuur | Goed tot 750°C | Uitstekend boven 900°C | Slecht boven 500°C |
| Dikte | Laagste | Hoger | Vergelijkbaar |
| Oxidatie weerstand | Goed tot 750°C | Beste boven 800°C | Slecht boven 550°C |
| Kosten | Lager | Hoogste | Hoger |
| Werkbaarheid | Arm | Goed | Best |
| Schade tolerantie | Arm | Goed | Uitstekend |
Veelgestelde vragen
V: Wat zijn gamma titaanaluminiden?
A: Gamma TiAl aluminiden zijn intermetallische legeringen die titaan (Ti) en aluminium (Al) bevatten met een gamma (γ) fase kristalstructuur. Ze hebben een geordende lamellaire rangschikking van Ti en Al atomen. Gamma TiAl is het meest gebruikte legeringstype.
V: Waarom worden TiAl-legeringen overwogen voor ruimtevaarttoepassingen?
A: TiAl-legeringen bieden een uitstekende combinatie van lage dichtheid en goede mechanische eigenschappen tot 750°C. Hierdoor kunnen lichtere en efficiëntere onderdelen voor vliegtuigmotoren worden ontworpen in plaats van de veel zwaardere nikkellegeringen. Hierdoor kunnen lichtere en efficiëntere onderdelen voor vliegtuigmotoren worden ontworpen met TiAl in plaats van veel zwaardere nikkellegeringen.
V: Wat zijn enkele voorbeelden van TiAl-turbocompressorcomponenten?
A: TiAl-legeringen worden steeds vaker gebruikt om turbocompressorwielen en behuizingen te maken in krachtige diesel- en benzinemotoren. De lage dichtheid en temperatuurbestendigheid zorgen voor een hogere vermogensdichtheid en efficiëntie.
V: Wat zijn de belangrijkste uitdagingen bij het gebruik van TiAl-legeringen?
A: Moeilijkheid bij het verwerken door gieten, smeden en machinaal bewerken, samen met intrinsieke brosheid bij kamertemperatuur en een lagere schadetolerantie dan concurrerende legeringen, werpt barrières op voor het gebruik. De verwerkingsmethoden en de ontwikkeling van legeringen blijven echter vooruitgaan.
V: Wat is de typische grenswaarde voor het zuurstofgehalte van TiAl-legeringen?
A: Zuurstof is beperkt tot minder dan 0,2% in TiAl-legeringen. Hogere zuurstofniveaus hebben een negatieve invloed op de vervormbaarheid. Er worden geavanceerde smelt- en gietmethoden gebruikt om de zuurstofopname onder controle te houden.
Delen op
MET3DP Technology Co, LTD is een toonaangevende leverancier van additieve productieoplossingen met hoofdkantoor in Qingdao, China. Ons bedrijf is gespecialiseerd in 3D printapparatuur en hoogwaardige metaalpoeders voor industriële toepassingen.
Onderzoek om de beste prijs en een op maat gemaakte oplossing voor uw bedrijf te krijgen!
gerelateerde artikelen
Over Met3DP
Recente update
Ons product
NEEM CONTACT MET ONS OP
Nog vragen? Stuur ons nu een bericht! Na ontvangst van uw bericht behandelen wij uw verzoek met een heel team.
Metaalpoeders voor 3D printen en additieve productie
BEDRIJF
PRODUCT
contact informatie
- Qingdao-stad, Shandong, China
- [email protected]
- [email protected]
- +86 19116340731