Алюминиевые сплавы титана

Обзор

Алюминиевые сплавы титана относятся к классу металлических материалов, содержащих смесь титана и алюминия. Они легкие, обладают высокой прочностью и отличной устойчивостью к коррозии и окислению при высоких температурах.

Сплавы TiAl считаются важным высокотемпературным конструкционным материалом для аэрокосмической и автомобильной промышленности благодаря уникальному сочетанию свойств. Благодаря низкой плотности они легче суперсплавов на основе никеля, но при этом сохраняют прочность и стабильность при температурах до 750°C.

Основные свойства Алюминиевые сплавы титана

Недвижимость	Описание
Плотность	3,7 - 4,1 г/см3, значительно ниже, чем у никелевых сплавов
Прочность	Сохраняют высокую прочность при температурах до 750°C
Жесткость	Высокий модуль упругости около 160 ГПа
Пластичность	Хрупкий при комнатной температуре, но становится более пластичным при высоких температурах
Коррозионная стойкость	Отличная коррозионная стойкость благодаря наличию титана
Устойчивость к окислению	Образует защитный оксидный слой, обеспечивающий хорошую стойкость к окислению до 750°C
Стоимость	Дороже титановых сплавов, но дешевле никелевых сплавов

Типы титано-алюминиевых сплавов

Существует два основных типа титано-алюминиевых сплавов:

Сплавы гамма TiAl

Сплавы Gamma TiAl имеют пластинчатую микроструктуру и содержат около 45-48% титана, остальное - алюминий. Для улучшения свойств в сплавы также добавляют небольшие количества таких элементов, как ниобий, углерод, бор и хром.

Сплавы TiAl с гамма-фазой обеспечивают хороший баланс низкой плотности, прочности, пластичности и стойкости к окислению. Это наиболее широко используемые сплавы TiAl.

Сплавы альфа-2 Ti3Al

Сплавы альфа-2 Ti3Al содержат около 25% алюминия и имеют гексагональную кристаллическую структуру. Они обладают очень высокой прочностью на разрыв, но имеют более низкую пластичность и вязкость разрушения по сравнению с гамма-сплавами TiAl.

Сплавы Alpha-2 обычно используются в очень высокотемпературных областях с температурой выше 800°C, например, в турбокомпрессорах.

Состав Алюминиевые сплавы титана

Титано-алюминиевые сплавы содержат титан в качестве основного компонента, алюминий и небольшое количество других элементов. Вот типичный диапазон состава:

Элемент сплава	Композиционный ряд	Роль
Титан (Ti)	52-56%	Основной базовый элемент
Алюминий (Al)	44-48%	Основной легирующий элемент с Ti
Ниобий (Nb)	До 2%	Повышает прочность и сопротивление ползучести
Хром (Cr)	До 2%	Повышает устойчивость к окислению
Бор (B)	До 0,2%	Повышает пластичность
Углерод (C)	До 0,1%	Увеличивает прочность
Кремний (Si)	0.1-1%	Повышает устойчивость к окислению
Вольфрам (Вт)	0.1-1%	Уточняет размер зерна
Молибден (Mo)	0.1-1%	Увеличивает прочность

Процентное содержание легирующих элементов точно контролируется для достижения нужной микроструктуры и свойств сплава.

Основные свойства титано-алюминиевых сплавов

Прочностные свойства титано-алюминиевого сплава

Недвижимость	Значение	Описание
Прочность на разрыв	500 - 1100 МПа	Очень высокая прочность по сравнению с титановыми сплавами
Предел текучести (смещение 0,2%)	400 - 1000 МПа	Мера упругой прочности в сплаве
Прочность на сжатие	600 - 1500 МПа	Отличная прочность на сжатие
Прочность при ползучести	100 - 350 МПа	Способность выдерживать нагрузки при высоких температурах
Вязкость разрушения	15 - 35 МПа√м	Сопротивление распространению трещин ниже, чем у никелевых сплавов

Физические свойства

Недвижимость	Значение
Плотность	3,7 - 4,1 г/см3
Температура плавления	1360°C - 1460°C
Теплопроводность	6 - 25 Вт/мК
Электрическое сопротивление	150 - 250 мкΩ.см
Коэффициент теплового расширения	11 - 13 x 10-6 /K

Механические свойства при комнатной температуре

Недвижимость	Значение	Описание
Твердость	300 - 400 HV	Измерение сопротивления вдавливанию
Модуль Юнга	150 - 160 ГПа	Измерение жесткости
Модуль сдвига	60 - 65 ГПа	Мера жесткости
Коэффициент Пуассона	0.25 – 0.34	Соотношение между деформациями в направлениях, перпендикулярных и параллельных приложенной нагрузке
Обрабатываемость	Сложность	Сложность обработки по сравнению со сталями

Применение и использование Алюминиевые сплавы титана

Титано-алюминиевые сплавы используются в широком спектре высокопроизводительных инженерных приложений. Некоторые ключевые области применения:

Применение в аэрокосмической промышленности

• Компоненты авиационных двигателей, такие как лопатки, диски, кожухи воздухозаборников
• Конструкции планера и крыла высокоскоростных самолетов
• Детали космических аппаратов благодаря сочетанию малого веса и термостойкости

Использование в автомобильной промышленности

• Колеса и корпуса турбин турбокомпрессоров
• Шатуны, клапаны, пружины и крепеж в высокопроизводительных двигателях
• Компоненты для автоспорта, такие как шатуны и клапаны

Другие приложения

• Детали газотурбинных двигателей, энергетика и судостроение
• Биомедицинские имплантаты, такие как искусственные тазобедренные суставы
• Спортивные товары, такие как велосипедные рамы, клюшки для гольфа

Вот сравнение использования титано-алюминиевых сплавов с альтернативами:

Приложение	Сплавы TiAl	Альтернативные материалы
Двигатели для самолетов	✅ Отличное соотношение прочности и веса при температуре до 750°C делает его пригодным для изготовления лопастей, лопаток, валов.	Никелевые суперсплавы обладают более высокой термостойкостью, но они тяжелее
Автомобильные турбокомпрессоры	✅ Хорошее сочетание высокой прочности, термостойкости и меньшей плотности по сравнению с никелевыми сплавами	Никелевые сплавы могут выдерживать более высокие пиковые температуры
Самолеты	✅ 20-35% легче титановых сплавов при эквивалентной прочности для крыльев, хвостов и фюзеляжей самолетов	Титановые сплавы обладают повышенной вязкостью разрушения
Биомедицинские имплантаты	✅ Содержит титан, который обеспечивает естественное сцепление с костью человека	Также широко используются нержавеющая сталь, кобальтохромовые сплавы

Отраслевые стандарты и спецификации

Некоторые широко используемые промышленные стандарты для титано-алюминиевых сплавов:

Стандарт	Описание
AMS 4928	Стандартная спецификация на листы, полосы и плиты из сплава гамма-титанового алюминида
AMS 4965	Стандарт на гамма сплавы алюминида титана, обработанные методом порошковой металлургии
AMS 4972	Стандартная спецификация на прутки, стержни и проволоку из альфа-бета или бета алюминидов титана
ISO 21365	Технические условия на конструкционные сплавы гамма TiAl
ASTM B381	Стандартная классификация титано-алюминиево-ванадиевых сплавов для хирургических имплантатов

Сплавы предлагаются в различных марках, которые соответствуют различным стандартам по химическому составу, микроструктуре и механическим свойствам.

Некоторые распространенные марки титанового алюминия:

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

Поставщики и затраты

Среди ведущих мировых поставщиков титано-алюминиевых сплавов можно назвать:

Поставщик	Предлагаемые классы	Методы производства
ВСМПО	Ti-47Al-2Cr-2Nb<br>Ti-48Al-2Cr-2Nb-1Ta-0.7W	Литье по выплавляемым моделям<br>Ковка
ATI	Ti-48Al-2W-0.5Si<br>Ti-47Al-2Cr-2Nb	Точное литье<br>Порошковая металлургия
Precision Castparts Corp	Нестандартные сплавы	Литье по выплавляемым моделям
Plansee	Гамма-сплавы TiAl	Порошковая металлургия

Титано-алюминиевые сплавы дороже титановых сплавов, но дешевле суперсплавов на основе никеля. Некоторые типичные ценовые оценки таковы:

Класс	Ценовая смета
Ti-48Al-2Cr-2Nb	$85 - $125 за кг
Ti-47Al-2W-0.5Si	$100 - $150 за кг
Нестандартные сплавы TiAl	$150 - $250 за кг

Цены варьируются в зависимости от объема заказа, размеров, требований сертификации и других индивидуальных особенностей.

Преимущества и ограничения титано-алюминиевых сплавов

Преимущества и достоинства

• Очень высокая удельная прочность - высокое соотношение прочности и веса
• Превосходное сохранение прочности при температуре до 750°C
• Хорошая устойчивость к воздействию окружающей среды - окислению, горению и коррозии
• Более низкая стоимость по сравнению с никелевыми и кобальтовыми суперсплавами
• Некоторые виды горячей обработки для ковки, прокатки

Недостатки и ограничения

• Сложности обработки - горячая обработка, а также механическая обработка
• Хрупкое поведение при комнатной температуре
• Относительно низкая вязкость разрушения
• Максимальная температура использования ограничена 750°C
• Подвержен воздействию водорода и влаги

Вот сравнение преимуществ и недостатков по сравнению с альтернативами:

Параметр	Сплавы TiAl	Никелевые суперсплавы	Титановые сплавы
Высокотемпературная прочность	Хорошо работает при температуре до 750°C	✅ Превосходно при температуре выше 900°C	Плохое состояние при температуре выше 500°C
Плотность	✅ Самый низкий	Выше	Сопоставимый
Устойчивость к окислению	Хорошо работает при температуре до 750°C	✅ Лучше всего при температуре выше 800°C	Плохо при температуре выше 550°C
Стоимость	✅ Нижний	Самый высокий	Выше
Работоспособность	Бедный	Хороший	✅ Лучшее
Допустимость повреждений	Бедный	Хороший	✅ Превосходно

Вопросы и ответы

Вопрос: Что такое гамма-алюминиды титана?

О: Гамма-алюминиды TiAl - это интерметаллические сплавы, содержащие титан (Ti) и алюминий (Al) с кристаллической структурой гамма (γ) фазы. Они имеют упорядоченное пластинчатое расположение атомов Ti и Al. Гамма TiAl - наиболее часто используемый тип сплава.

В: Почему сплавы TiAl рассматриваются для применения в аэрокосмической отрасли?

О: Сплавы TiAl обладают превосходным сочетанием низкой плотности и хороших механических свойств при температуре до 750°C. Это позволяет создавать более легкие и эффективные компоненты авиадвигателей, используя TiAl вместо более тяжелых никелевых сплавов.

В: Каковы примеры компонентов турбокомпрессора из TiAl?

О: Сплавы TiAl все чаще используются для изготовления колес и корпусов турбокомпрессоров в высокопроизводительных дизельных и бензиновых автомобильных двигателях. Низкая плотность и термостойкость обеспечивают более высокую плотность мощности и эффективность.

В: Каковы основные сложности при использовании сплавов TiAl?

О: Сложность обработки литьем, ковкой и механической обработкой, а также присущая им хрупкость при комнатной температуре и более низкая устойчивость к повреждениям по сравнению с конкурирующими сплавами создают препятствия для внедрения. Однако методы обработки и разработка сплавов продолжают развиваться.

Вопрос: Каково типичное предельное содержание кислорода для сплавов TiAl?

О: В сплавах TiAl содержание кислорода не должно превышать 0,2%. Более высокие уровни кислорода негативно влияют на пластичность. Для контроля содержания кислорода используются передовые методы плавки и литья.

узнать больше о процессах 3D-печати