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

Nieruchomość	Opis
Gęstość	3,7 - 4,1 g/cm3, znacznie niższy niż stopy niklu
Siła	Zachowują wysoką wytrzymałość w temperaturach do 750°C
Sztywność	Wysoki moduł sprężystości wynoszący około 160 GPa
Plastyczność	Kruchy w temperaturze pokojowej, ale staje się bardziej ciągliwy w wysokich temperaturach
Odporność na korozję	Doskonała odporność na korozję dzięki obecności tytanu
Odporność na utlenianie	Tworzy ochronną warstwę tlenku, zapewniając dobrą odporność na utlenianie do 750°C
Koszt	Droższe niż stopy tytanu, ale tańsze niż stopy niklu

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:

Element ze stopu	Zakres składu	Rola
Tytan (Ti)	52-56%	Podstawowy element bazowy
Aluminium (Al)	44-48%	Główny pierwiastek stopowy z Ti
Niob (Nb)	Do 2%	Zwiększa wytrzymałość i odporność na pełzanie
Chrom (Cr)	Do 2%	Zwiększa odporność na utlenianie
Bor (B)	Do 0,2%	Poprawia plastyczność
Węgiel (C)	Do 0,1%	Zwiększa wytrzymałość
Krzem (Si)	0.1-1%	Poprawia odporność na utlenianie
Wolfram (W)	0.1-1%	Poprawia wielkość ziarna
Molibden (Mo)	0.1-1%	Zwiększa wytrzymałość

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

Nieruchomość	Wartość	Opis
Wytrzymałość na rozciąganie	500 - 1100 MPa	Bardzo wysoka wytrzymałość w porównaniu do stopów tytanu
Granica plastyczności (przesunięcie 0,2%)	400 - 1000 MPa	Miara wytrzymałości sprężystej stopu
Wytrzymałość na ściskanie	600 - 1500 MPa	Doskonała wytrzymałość na ściskanie
Wytrzymałość na pełzanie	100 - 350 MPa	Zdolność do wytrzymywania obciążeń w wysokich temperaturach
Wytrzymałość na złamania	15 - 35 MPa√m	Odporność na propagację pęknięć jest niższa niż w przypadku stopów niklu

Właściwości fizyczne

Nieruchomość	Wartość
Gęstość	3,7 - 4,1 g/cm3
Temperatura topnienia	1360°C - 1460°C
Przewodność cieplna	6 - 25 W/mK
Rezystywność elektryczna	150 - 250 μΩ.cm
Współczynnik rozszerzalności cieplnej	11 - 13 x 10-6 /K

Właściwości mechaniczne w temperaturze pokojowej

Nieruchomość	Wartość	Opis
Twardość	300 - 400 HV	Pomiar odporności na wgniecenia
Moduł Younga	150 - 160 GPa	Pomiar sztywności
Moduł ścinania	60 - 65 GPa	Pomiar sztywności
Współczynnik Poissona	0.25 – 0.34	Stosunek odkształceń w kierunkach prostopadłym i równoległym do przyłożonego obciążenia
Obrabialność	Trudne	Trudne w obróbce w porównaniu do stali

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:

Zastosowanie	Stopy TiAl	Materiały alternatywne
Silniki lotnicze	✅ Doskonały stosunek wytrzymałości do wagi do 750°C sprawia, że nadaje się do łopatek, łopatek, wałów	Nadstopy niklu mają wyższą odporność na temperaturę, ale są cięższe
Turbosprężarki samochodowe	Dobra równowaga między wysoką wytrzymałością, odpornością na temperaturę i mniejszą gęstością niż w przypadku stopów niklu	Stopy niklu mogą wytrzymać wyższe temperatury szczytowe
Płatowce	20-35% lżejszy niż stopy tytanu o równoważnej wytrzymałości na skrzydła, ogony i kadłuby samolotów	Stopy tytanu oferują wyższą odporność na pękanie
Implanty biomedyczne	Zawiera tytan, który umożliwia naturalne łączenie z ludzką kością.	Stal nierdzewna, stopy kobaltu i chromu również są powszechnie stosowane

Standardy i specyfikacje branżowe

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

Standard	Opis
AMS 4928	Standardowa specyfikacja blachy, taśmy i płyty ze stopu glinku tytanu gamma
AMS 4965	Norma dla stopów glinku tytanu gamma przetwarzanych metodą metalurgii proszków
AMS 4972	Standardowa specyfikacja sztab, prętów i drutu z glinku tytanu alfa-beta lub beta
ISO 21365	Specyfikacja strukturalnych stopów gamma TiAl
ASTM B381	Standardowa klasyfikacja stopów tytanu, aluminium i wanadu na implanty chirurgiczne

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:

Dostawca	Oferowane klasy	Metody produkcji
VSMPO	Ti-47Al-2Cr-2Nb<br>Ti-48Al-2Cr-2Nb-1Ta-0.7W	Odlewanie inwestycyjne<br>Kucie
ATI	Ti-48Al-2W-0.5Si<br>Ti-47Al-2Cr-2Nb	Odlewanie precyzyjne<br>Metalurgia proszków
Precision Castparts Corp	Stopy na zamówienie	Odlewanie inwestycyjne
Plansee	Stopy gamma TiAl	Metalurgia proszków

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

Klasa	Szacunkowa wycena
Ti-48Al-2Cr-2Nb	$85 - $125 na kg
Ti-47Al-2W-0.5Si	$100 - $150 na kg
Niestandardowe stopy TiAl	$150 - $250 na kg

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:

Parametr	Stopy TiAl	Nadstopy niklu	Stopy tytanu
Wytrzymałość na wysokie temperatury	Dobra do 750°C	Doskonały powyżej 900°C	Słaba powyżej 500°C
Gęstość	Najniższy	Wyższy	Porównywalny
Odporność na utlenianie	Dobra do 750°C	✅ Najlepiej powyżej 800°C	Słaba powyżej 550°C
Koszt	Niższy	Najwyższy	Wyższy
Wykonalność	Słaby	Dobry	Najlepszy
Tolerancja na uszkodzenia	Słaby	Dobry	Doskonały

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