Stopy tytanu i aluminium

Przegląd

Stopy tytanu i aluminium to klasa materiałów metalicznych zawierających mieszankę tytanu i aluminium. Są one lekkie, charakteryzują się wysoką wytrzymałością oraz doskonałą odpornością na korozję i utlenianie w wysokich temperaturach.

Stopy TiAl są uważane za ważny wysokotemperaturowy materiał konstrukcyjny do zastosowań lotniczych i motoryzacyjnych ze względu na ich unikalną kombinację właściwości. Ich niska gęstość sprawia, że są lżejsze niż superstopy na bazie niklu, zachowując jednocześnie wytrzymałość i stabilność w temperaturach do 750°C.

Kluczowe właściwości Stopy tytanu i aluminium

Rodzaje stopów tytanu i aluminium

Istnieją dwa podstawowe rodzaje stopów tytanu i aluminium:

Stopy Gamma TiAl

Stopy Gamma TiAl mają mikrostrukturę płytkową i zawierają około 45-48% tytanu, z pozostałą częścią aluminium. Niewielkie dodatki pierwiastków, takich jak niob, węgiel, bor i chrom są również stosowane w celu poprawy właściwości.

Stopy TiAl z fazą gamma oferują dobrą równowagę między niską gęstością, wytrzymałością, plastycznością i odpornością na utlenianie. Są to najczęściej stosowane stopy TiAl.

Stopy Alpha-2 Ti3Al

Stopy alfa-2 Ti3Al zawierają około 25% aluminium i mają heksagonalną strukturę krystaliczną. Oferują bardzo wysoką wytrzymałość na rozciąganie, ale mają niższą ciągliwość i odporność na pękanie w porównaniu do stopów gamma TiAl.

Stopy Alpha-2 są zwykle stosowane w aplikacjach o bardzo wysokiej temperaturze powyżej 800°C, takich jak turbosprężarki.

Skład Stopy tytanu i aluminium

Stopy tytan-aluminium zawierają tytan jako główny składnik oraz aluminium i niewielkie ilości innych pierwiastków. Oto typowy zakres składu:

Zawartość procentowa pierwiastków stopowych jest precyzyjnie kontrolowana w celu uzyskania odpowiedniej mikrostruktury i właściwości stopu.

Kluczowe właściwości stopów tytanu i aluminium

Właściwości wytrzymałościowe stopu tytan-aluminium

Właściwości fizyczne

Właściwości mechaniczne w temperaturze pokojowej

Aplikacje i zastosowania Stopy tytanu i aluminium

Stopy tytanu i aluminium są wykorzystywane w szerokim zakresie wysokowydajnych zastosowań inżynieryjnych. Niektóre z kluczowych zastosowań to:

Zastosowania w przemyśle lotniczym

• Elementy silników lotniczych, takie jak łopatki, tarcze, osłony wlotu powietrza
• Struktury płatowca i skrzydła w szybkich samolotach
• Części pojazdów kosmicznych dzięki połączeniu niskiej wagi i odporności na temperaturę

Zastosowania w przemyśle motoryzacyjnym

• Koła i obudowy turbin turbosprężarek
• Korbowody, zawory, sprężyny i elementy złączne w silnikach o wysokich osiągach
• Komponenty do sportów motorowych, takie jak korbowody i zawory

Inne aplikacje

• Części silników turbin gazowych, wytwarzanie energii i zastosowania morskie
• Implanty biomedyczne, takie jak sztuczne stawy biodrowe
• Artykuły sportowe, takie jak ramy rowerowe, kije golfowe

Oto porównanie zastosowania stopów tytanu i aluminium z alternatywnymi rozwiązaniami:

Standardy i specyfikacje branżowe

Niektóre powszechnie stosowane standardy przemysłowe dla stopów tytanu i aluminium to:

Produkty ze stopów są oferowane w różnych gatunkach, które spełniają różne standardy w zakresie składu chemicznego, mikrostruktury i właściwości mechanicznych.

Niektóre popularne gatunki tytanu i aluminium to:

• Ti-48Al-2W-0.5Si (AMS 4928)
• Ti-47Al-2Cr-2Nb (ISO 21365 klasa 5)
• Ti-45Al-5Nb-0.2C-0.2B (AMS 4965 Grade 5)

Dostawcy i koszty

Do wiodących światowych dostawców stopów tytanu i aluminium należą:

Stopy tytan-aluminium są droższe niż stopy tytanu, ale tańsze niż superstopy na bazie niklu. Niektóre typowe szacunki cenowe są następujące:

Ceny różnią się w zależności od wielkości zamówienia, specyfikacji rozmiaru, wymagań certyfikacyjnych i innych dostosowań.

Zalety i ograniczenia stopów tytanu i aluminium

Korzyści i zalety

• Bardzo wysoka wytrzymałość właściwa - wysoki stosunek wytrzymałości do masy
• Doskonałe zachowanie wytrzymałości do 750°C
• Dobra odporność na warunki środowiskowe - utlenianie, spalanie i korozję
• Niższy koszt niż w przypadku nadstopów niklu i kobaltu
• Pewna obrabialność na gorąco do kucia, walcowania

Niedociągnięcia i ograniczenia

• Trudności w przetwarzaniu - obróbka na gorąco oraz obróbka skrawaniem
• Kruchość w temperaturze pokojowej
• Stosunkowo niska odporność na pękanie
• Maksymalna temperatura użytkowania ograniczona do 750°C
• Podlega absorpcji wodoru i wilgoci

Oto porównanie zalet i wad w stosunku do alternatyw:

Najczęściej zadawane pytania

P: Czym są glinki tytanu gamma?

O: Glinki Gamma TiAl to stopy międzymetaliczne zawierające tytan (Ti) i aluminium (Al) o strukturze krystalicznej fazy gamma (γ). Mają one uporządkowany układ lamelarny atomów Ti i Al. Gamma TiAl jest najczęściej stosowanym typem stopu.

P: Dlaczego stopy TiAl są brane pod uwagę w zastosowaniach lotniczych?

O: Stopy TiAl oferują doskonałe połączenie niskiej gęstości i dobrych właściwości mechanicznych do 750°C. Pozwala to na projektowanie lżejszych i bardziej wydajnych komponentów silników lotniczych przy użyciu TiAl zamiast znacznie cięższych stopów niklu.

P: Jakie są przykłady elementów turbosprężarki wykonanych z TiAl?

O: Stopy TiAl są coraz częściej wykorzystywane do produkcji kół i obudów turbosprężarek w wysokowydajnych silnikach wysokoprężnych i benzynowych. Niska gęstość i odporność na temperaturę zapewniają wyższą gęstość mocy i wydajność.

P: Jakie są główne wyzwania związane ze stosowaniem stopów TiAl?

O: Trudności w przetwarzaniu poprzez odlewanie, kucie i obróbkę skrawaniem wraz z wewnętrzną kruchością w temperaturze pokojowej i niższą tolerancją na uszkodzenia niż w przypadku konkurencyjnych stopów stwarzają bariery dla przyjęcia. Jednak metody przetwarzania i rozwój stopów wciąż się rozwijają.

P: Jaki jest typowy limit zawartości tlenu dla stopów TiAl?

Tlen jest ograniczony do mniej niż 0,2% w stopach TiAl. Wyższe poziomy tlenu negatywnie wpływają na ciągliwość. Zaawansowane metody topienia i odlewania są wykorzystywane do kontrolowania pobierania tlenu.

poznaj więcej procesów druku 3D