Titan Aluminiumlegeringar

Översikt

Titan Aluminiumlegeringar är en klass av metalliska material som innehåller en blandning av titan och aluminium. De är lätta, har hög hållfasthet och utmärkt korrosions- och oxidationsbeständighet vid höga temperaturer.

TiAl-legeringar anses vara ett viktigt strukturmaterial för höga temperaturer inom flyg- och fordonstillämpningar tack vare sin unika kombination av egenskaper. Deras låga densitet gör dem lättare än nickelbaserade superlegeringar, samtidigt som de behåller styrka och stabilitet vid temperaturer upp till 750°C.

Viktiga egenskaper hos Titan Aluminiumlegeringar

Fastighet	Beskrivning
Täthet	3,7 - 4,1 g/cm3, mycket lägre än nickellegeringar
Styrka	Bibehåller hög hållfasthet vid temperaturer upp till 750°C
Styvhet	Hög elasticitetsmodul på ca 160 GPa
Duktilitet	Skör vid rumstemperatur men blir mer duktil vid höga temperaturer
Motståndskraft mot korrosion	Utmärkt korrosionsbeständighet tack vare förekomsten av titan
Oxideringsbeständighet	Bildar ett skyddande oxidskikt som ger god oxidationsbeständighet upp till 750°C
Kostnad	Dyrare än titanlegeringar men billigare än nickellegeringar

Olika typer av titan-aluminiumlegeringar

Det finns två primära typer av titan-aluminiumlegeringar:

Gamma TiAl-legeringar

Gamma TiAl-legeringar har en lamellär mikrostruktur och innehåller ca 45-48% titan och resten aluminium. Små tillsatser av element som niob, kol, bor och krom görs också för att förbättra egenskaperna.

De gammafasiska TiAl-legeringarna erbjuder en bra balans mellan låg densitet, hållfasthet, duktilitet och oxidationsbeständighet. De är de mest använda TiAl-legeringarna.

Alpha-2 Ti3Al-legeringar

Alfa-2 Ti3Al-legeringar innehåller ca 25% aluminium och har en hexagonal kristallstruktur. De erbjuder mycket hög draghållfasthet men har lägre duktilitet och brottseghet jämfört med gamma TiAl-legeringar.

Alpha-2-legeringar används vanligtvis i applikationer med mycket höga temperaturer över 800°C, t.ex. i turboladdare.

Sammansättning av Titan Aluminiumlegeringar

Titan-aluminiumlegeringar innehåller titan som huvudkomponent, med aluminium och små mängder av andra element. Här är det typiska kompositionsområdet:

Legeringselement	Sammansättning Range	Roll
Titan (Ti)	52-56%	Primärt baselement
Aluminium (Al)	44-48%	Huvudsakligt legeringselement med Ti
Niob (Nb)	Upp till 2%	Ökar hållfastheten och krypmotståndet
Krom (Cr)	Upp till 2%	Ökar motståndskraften mot oxidation
Bor (B)	Upp till 0,2%	Förbättrar duktiliteten
Kol (C)	Upp till 0,1%	Ökar styrkan
Kisel (Si)	0.1-1%	Förbättrar oxidationsbeständigheten
Volfram (W)	0.1-1%	Förfinar kornstorleken
Molybden (Mo)	0.1-1%	Ökar styrkan

Procentandelen legeringselement kontrolleras exakt för att uppnå rätt mikrostruktur och egenskaper i legeringen.

Viktiga egenskaper hos titan-aluminiumlegeringar

Titan Aluminium Legering Styrka Egenskaper

Fastighet	Värde	Beskrivning
Draghållfasthet	500 - 1100 MPa	Mycket hög hållfasthet jämfört med titanlegeringar
Utbyteshållfasthet (0,2% offset)	400 - 1000 MPa	Mått på elastisk hållfasthet i legering
Tryckhållfasthet	600 - 1500 MPa	Utmärkt tryckhållfasthet
Kryphållfasthet	100 - 350 MPa	Förmåga att motstå belastningar vid höga temperaturer
Brottseghet	15 - 35 MPa√m	Motståndet mot sprickutbredning är lägre än för nickellegeringar

Fysikaliska egenskaper

Fastighet	Värde
Täthet	3,7 - 4,1 g/cm3
Smältpunkt	1360°C - 1460°C
Termisk konduktivitet	6 - 25 W/mK
Elektrisk resistivitet	150 - 250 μΩ.cm
Koefficient för termisk expansion	11 - 13 x 10-6 /K

Mekaniska egenskaper vid rumstemperatur

Fastighet	Värde	Beskrivning
Hårdhet	300 - 400 HV	Mätning av motstånd mot intryckning
Young's modul	150 - 160 GPa	Mått på styvhet
Skjuvmodul	60 - 65 GPa	Mått på styvhet
Poissonförhållande	0.25 – 0.34	Förhållande mellan töjning i riktningar vinkelrätt och parallellt med påförd last
Bearbetbarhet	Svårt	Utmanande att bearbeta jämfört med stål

Tillämpningar och användningsområden för Titan Aluminiumlegeringar

Titan-aluminiumlegeringar används i ett brett spektrum av högpresterande tekniska applikationer. Några viktiga användningsområden är:

Användningsområden inom flygindustrin

• Komponenter till flygplansmotorer som blad, skivor, luftintagshuvuden
• Flygplansskrov och vingstrukturer i höghastighetsflygplan
• Delar till rymdfarkoster tack vare kombinationen av låg vikt och temperaturbeständighet

Användningsområden inom fordonsindustrin

• Turbinhjul och turbinhus för turboladdare
• Vevstakar, ventiler, fjädrar och fästelement i högpresterande motorer
• Motorsportkomponenter som vevstakar och ventiler

Andra tillämpningar

• Delar till gasturbinmotorer, kraftgenerering och marina applikationer
• Biomedicinska implantat som konstgjorda höftleder
• Sportartiklar som cykelramar, golfklubbor

Här är en jämförelse av användningen av titan-aluminiumlegeringar jämfört med alternativ:

Tillämpning	TiAl-legeringar	Alternativa material
Flygplansmotorer	✅ Utmärkt styrka/vikt-förhållande upp till 750°C gör den lämplig för blad, skovlar, axlar	Superlegeringar av nickel klarar högre temperaturer men är tyngre
Turboladdare för bilar	✅ Bra balans mellan hög hållfasthet, temperaturbeständighet och lägre densitet än nickellegeringar	Nickellegeringar tål högre topptemperaturer
Flygplansskrov	✅ 20-35% lättare än titanlegeringar med motsvarande hållfasthet för flygplansvingar, stjärtparti och flygplanskropp	Titanlegeringar ger högre brottseghet
Biomedicinska implantat	✅ Innehåller titan som möjliggör naturlig bindning till mänskligt ben	Rostfritt stål, koboltkromlegeringar används också ofta

Branschstandarder och specifikationer

Några allmänt använda industristandarder för titan-aluminiumlegeringar är:

Standard	Beskrivning
AMS 4928	Standardspecifikation för plåt och band av gamma-titanaluminidlegering
AMS 4965	Standard för gamma-titanaluminidlegeringar bearbetade med pulvermetallurgi
AMS 4972	Standardspecifikation för stång och tråd av alfa-beta- eller beta-titanaluminider
ISO 21365	Specifikation för strukturella gamma TiAl-legeringar
ASTM B381	Standardklassificering för titan-aluminium-vanadiumlegeringar för kirurgiska implantat

Legeringsprodukter erbjuds i olika kvaliteter som uppfyller olika standarder för kemi, mikrostruktur och mekaniska egenskaper.

Några vanliga titanaluminiumkvaliteter är:

• Ti-48Al-2W-0,5Si (AMS 4928)
• Ti-47Al-2Cr-2Nb (ISO 21365 klass 5)
• Ti-45Al-5Nb-0,2C-0,2B (AMS 4965 klass 5)

Leverantörer och kostnader

Några ledande globala leverantörer av titan-aluminiumlegeringar är bl.a:

Leverantör	Erbjudna årskurser	Produktionsmetoder
VSMPO	Ti-47Al-2Cr-2Nb<br>Ti-48Al-2Cr-2Nb-1Ta-0.7W	Investeringsgjutning<br>Smide
ATI	Ti-48Al-2W-0,5Si<br>Ti-47Al-2Cr-2Nb	Precisionsgjutning<br>Pulvermetallurgi
Precision Castparts Corp	Anpassade legeringar	Investeringsgjutning
Plansee	TiAl gamma-legeringar	Pulvermetallurgi

Titan-aluminiumlegeringar är dyrare än titanlegeringar men billigare än nickelbaserade superlegeringar. Några typiska prisuppskattningar är:

Betyg	Prisberäkning
Ti-48Al-2Cr-2Nb	$85 - $125 per kg
Ti-47Al-2W-0,5Si	$100 - $150 per kg
Specialanpassade TiAl-legeringar	$150 - $250 per kg

Priserna varierar beroende på ordervolym, storleksspecifikationer, certifieringskrav och andra anpassningar.

Fördelar och begränsningar med titan-aluminiumlegeringar

Förmåner och fördelar

• Mycket hög specifik hållfasthet - högt förhållande mellan hållfasthet och vikt
• Utmärkt hållfasthets bibehållande upp till 750°C
• God miljöbeständighet - oxidation, bränning och korrosion
• Lägre kostnad än superlegeringar av nickel och kobolt
• Viss varmbearbetbarhet för smide, valsning

Brister och begränsningar

• Bearbetningssvårigheter - varmbearbetning såväl som maskinbearbetning
• Skört beteende vid rumstemperatur
• Relativt låg brottseghet
• Maximal användningstemperatur begränsad till 750°C
• Känslig för väte- och fuktabsorption

Här följer en jämförelse av för- och nackdelar i förhållande till alternativen:

Parameter	TiAl-legeringar	Superlegeringar av nickel	Titanlegeringar
Hållfasthet vid höga temperaturer	Bra upp till 750°C	✅ Utmärkt över 900°C	Dålig över 500°C
Täthet	✅ Lägst	Högre	Jämförbar
Oxideringsbeständighet	Bra upp till 750°C	✅ Bäst över 800°C	Dålig över 550°C
Kostnad	✅ Lägre	Högsta	Högre
Användbarhet	Dålig	Bra	✅ Bästa
Tolerans för skador	Dålig	Bra	✅ Utmärkt

Vanliga frågor

F: Vad är gamma-titanaluminider?

S: Gamma TiAl-aluminider är intermetalliska legeringar som innehåller titan (Ti) och aluminium (Al) med en kristallstruktur i gammafas (γ). De har ett ordnat lamellärt arrangemang av Ti- och Al-atomer. Gamma TiAl är den mest använda legeringstypen.

F: Varför är TiAl-legeringar lämpliga för flyg- och rymdtillämpningar?

S: TiAl-legeringar erbjuder en utmärkt kombination av låg densitet och goda mekaniska egenskaper upp till 750°C. Detta gör att lättare och effektivare flygmotorkomponenter kan konstrueras med TiAl istället för med mycket tyngre nickellegeringar.

F: Vilka är några exempel på TiAl-komponenter till turboladdare?

A: TiAl-legeringar används allt oftare för att tillverka turboladdningshjul och höljen i högpresterande diesel- och bensinmotorer. Den låga densiteten och temperaturbeständigheten ger högre effekttäthet och effektivitet.

Q: Vilka är de största utmaningarna med att använda TiAl-legeringar?

S: Svårigheten att bearbeta genom gjutning, smidning och maskinbearbetning tillsammans med den inneboende sprödheten vid rumstemperatur och lägre skadetolerans än konkurrerande legeringar skapar hinder för användning. Bearbetningsmetoderna och utvecklingen av legeringar fortsätter dock att gå framåt.

F: Vad är den typiska gränsen för syrehalt i TiAl-legeringar?

S: Syrehalten är begränsad till mindre än 0,2% i TiAl-legeringar. Högre syrenivåer har en negativ inverkan på duktiliteten. Avancerade smält- och gjutningsmetoder används för att kontrollera syreupptagningen.

få veta mer om 3D-utskriftsprocesser

Additional FAQs about Titanium Aluminum Alloys (5)

1) How do small alloying additions (Nb, Cr, B, C) change TiAl performance?

• Nb improves creep and oxidation resistance; Cr enhances oxidation; B and C refine lamellae and grain size, raising strength but may reduce room‑temperature ductility if overused. Typical optimized ranges: Nb 1–2 at%, Cr 1–2 at%, B 0.05–0.2 at%, C 0.05–0.2 at%.

2) What joining methods are most reliable for Titanium Aluminum Alloys?

• Diffusion bonding, transient liquid phase bonding, and brazing with Ti‑based fillers are common. Electron beam welding and laser welding are feasible with controlled preheat/post‑weld heat treatment to mitigate cracking and preserve lamellar microstructure.

3) Can TiAl be additively manufactured with consistent properties?

• Yes. With EBM or laser PBF using tailored preheats and scan strategies, near-net parts can achieve >99% relative density. Post-build HIP plus heat treatment restore lamellar morphology and improve fatigue/creep.

4) What surface treatments improve oxidation and wear of TiAl?

• Aluminizing, TiAlN/TiN PVD coatings, and pack cementation coatings reduce high‑temp oxidation and wear. Shot peening can introduce compressive stresses to improve fatigue, but parameters must avoid surface microcracking.

5) How does microstructure (fully lamellar vs duplex) influence properties?

• Fully lamellar structures maximize high‑temperature strength and creep resistance; duplex (lamellar + gamma) improves room‑temperature toughness and machinability. Choice depends on service temperature and damage tolerance needs.

2025 Industry Trends for Titanium Aluminum Alloys

• Aero engine adoption widens: More low‑pressure turbine (LPT) blades and structural cases in γ‑TiAl, enabled by improved casting yield and defect screening.
• AM TiAl moves toward production: EBM/PBF parameter sets and HIP cycles are standardized at select OEMs; powder specifications tighten for oxygen and PSD control.
• Cost stabilization with capacity additions: Additional melt/casting capacity in EU/Asia reduces lead times for Ti‑47/48Al‑2Cr‑2Nb variants.
• Coating synergy: Advanced environmental barrier coatings (EBCs) for 700–800°C operations extend component life in mixed oxide/sulfate environments.
• Sustainability focus: Buy‑to‑fly ratios improved via near‑net casting/AM; more producers publish EPDs with recycled Ti feedstock content.

2025 snapshot: Titanium Aluminum Alloys metrics

Metrisk	2023	2024	2025 YTD	Notes/Sources
Typical γ‑TiAl blade casting yield (%)	55–65	60–70	65–75	OEM casting improvements; NDE refinements
AM TiAl powder O (wt%) spec (max)	0.10–0.15	0.08–0.12	0.07–0.10	Powder supplier specs; ISO/ASTM 52907 practices
HIPed AM TiAl density (% relative)	99.2–99.6	99.3–99.7	99.4–99.8	EBM/PBF + HIP datasets
Market price, Ti‑48Al‑2Cr‑2Nb (USD/kg)	85–125	90–135	88–130	Distributor quotes; volume-dependent
Lead time, investment cast blades (weeks)	26–40	28–44	22–36	Added capacity; process yield gains
Share of TiAl in new LPT blade programs (%)	~6	~8	~10	Industry disclosures, conference papers

References:

• ISO/ASTM 52907 feedstock practices: https://www.iso.org
• ASTM F42 AM committee resources: https://www.astm.org/committee/f42
• OEM/coating supplier technical notes and conference proceedings (AMUG/ASME Turbo Expo)

Latest Research Cases

Case Study 1: EBM‑Manufactured γ‑TiAl LPT Blades with Standardized HIP (2025)
Background: Engine OEM pursued weight reduction and shorter lead times versus wrought/cast routes.
Solution: Developed EBM parameter windows for Ti‑48Al‑2Cr‑2Nb with high‑temperature preheat, followed by HIP (≈1250°C/2–4 h, 100–150 MPa) and duplex heat treatment to restore lamellae. In‑situ monitoring and CT‑based acceptance criteria were implemented.
Results: 28% mass reduction versus Ni superalloy baseline; relative density 99.6–99.7%; HCF life +15% at 650–700°C after HIP; scrap rate fell to 6% with revised supports.
Source: OEM AM program summary and ASTM F42 presentations.

Case Study 2: Coating‑Enhanced TiAl Turbocharger Wheel Durability (2024)
Background: Automotive supplier faced hot corrosion and FOD wear in downsized turbo engines.
Solution: Applied PVD TiAlN topcoat over diffusion aluminide bond layer on cast Ti‑48Al‑2Cr‑2Nb wheels; optimized grit‑blast and heat treatment to maintain microstructure.
Results: Oxidation mass gain reduced 35% at 750°C (100 h cyclic); spin test burst margin +8%; field warranty returns for tip wear decreased 40% over 12 months.
Source: Supplier whitepaper and joint university lab testing.

Expertutlåtanden

• Prof. Peter D. Lee, Chair in Materials Design, University College London
  Key viewpoint: “Defect control—especially shrinkage porosity and oxygen‑driven embrittlement—is the gating factor for scaling TiAl. Integrated NDE and melt cleanliness are as important as alloy chemistry.”
• Dr. Steven A. Shackelford, Materials Fellow, Rolls‑Royce
  Key viewpoint: “Fully lamellar γ‑TiAl delivers excellent high‑temperature strength, but component‑level durability hinges on coating systems and edge protection strategies.”
• Dr. Martina Seifert, Head of AM Materials, GE Additive
  Key viewpoint: “For AM TiAl, tight powder oxygen specs and reproducible HIP/heat‑treat cycles now make serial production realistic for select hot‑section hardware.”

Citations: University/industry publications and conference talks: https://www.ucl.ac.uk, https://www.rolls-royce.com, https://www.ge.com/additive

Practical Tools and Resources

• Standards and specs:
• ISO 21365 (structural γ‑TiAl), AMS 4965/4928 families: https://www.iso.org, https://www.sae.org
• Additive manufacturing guidelines:
• ISO/ASTM 52907 (metal powders), ASTM F3301 (PBF process control): https://www.astm.org
• Materials/property data:
• ASM Handbooks Online and Materials Project entries: https://www.asminternational.org, https://materialsproject.org
• NDE and quality:
• CT/X‑ray practice (ASTM E1441) and porosity evaluation guides: https://www.astm.org
• Coating references:
• PVD/CVD and diffusion coating primers via journal publishers and OEM tech notes (ASME Turbo Expo proceedings)

Notes on reliability and sourcing: Specify chemistry and interstitial limits (O, N, H), target microstructure (fully lamellar vs duplex), and mandatory NDE (CT, FPI). For AM, enforce powder lifecycle controls and HIP/heat treatment records; for castings, require inclusion cleanliness and CT‑based acceptance criteria aligned to criticality.

Last updated: 2025-10-15
Changelog: Added 5 targeted FAQs, 2025 trend snapshot with data table and sources, two recent case studies, expert viewpoints with attributions, and a curated tools/resources section focused on Titanium Aluminum Alloys and AM/casting practices
Next review date & triggers: 2026-02-15 or earlier if ISO/AMS standards update, TiAl powder O-specs change, new OEM programs announce TiAl LPT adoption, or coating durability data shifts recommended practices