Titanium Aluminium Legeringen

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.

ken meer 3D-printprocessen