Titanyum Alüminyum Alaşımları

Genel Bakış

Titanyum Alüminyum Alaşımları titanyum ve alüminyum karışımı içeren bir metalik malzeme sınıfıdır. Hafiftirler, yüksek mukavemete ve yüksek sıcaklıklarda mükemmel korozyon ve oksidasyon direncine sahiptirler.

TiAl alaşımları, benzersiz özellik kombinasyonları nedeniyle havacılık ve otomotiv uygulamaları için önemli bir yüksek sıcaklık yapısal malzemesi olarak kabul edilir. Düşük yoğunlukları, nikel bazlı süper alaşımlardan daha hafif olmalarını sağlarken, 750°C'ye kadar olan sıcaklıklarda güç ve kararlılıklarını korurlar.

Temel Özellikleri Titanyum Alüminyum Alaşımları

Mülkiyet	Açıklama
Yoğunluk	3,7 - 4,1 g/cm3, nikel alaşımlarından çok daha düşük
Güç	750°C'ye kadar sıcaklıklarda yüksek mukavemeti korur
Sertlik	Yaklaşık 160 GPa'lık yüksek elastik modül
Süneklik	Oda sıcaklığında kırılgandır ancak yüksek sıcaklıklarda daha sünek hale gelir
Korozyon Direnci	Titanyum varlığı nedeniyle mükemmel korozyon direnci
Oksidasyon Direnci	Koruyucu oksit tabakası oluşturarak 750°C'ye kadar iyi oksidasyon direnci sağlar
Maliyet	Titanyum alaşımlarından daha pahalı ancak nikel alaşımlarından daha ucuz

Titanyum Alüminyum Alaşım Çeşitleri

İki ana tip titanyum alüminyum alaşımı vardır:

Gamma TiAl Alaşımları

Gamma TiAl alaşımları lamelli bir mikro yapıya sahiptir ve yaklaşık 45-48% titanyum, geri kalanı alüminyum içerir. Özellikleri geliştirmek için niyobyum, karbon, bor ve krom gibi küçük element ilaveleri de yapılır.

Gama fazı TiAl alaşımları düşük yoğunluk, mukavemet, süneklik ve oksidasyon direnci arasında iyi bir denge sunar. En yaygın kullanılan TiAl alaşımlarıdır.

Alfa-2 Ti3Al Alaşımları

Alfa-2 Ti3Al alaşımları yaklaşık 25% alüminyum içerir ve hekzagonal kristal yapıya sahiptir. Çok yüksek çekme mukavemeti sunarlar ancak gama TiAl alaşımlarına kıyasla daha düşük süneklik ve kırılma tokluğuna sahiptirler.

Alpha-2 alaşımları tipik olarak turboşarjlar gibi 800°C'nin üzerindeki çok yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılır.

Bileşimi Titanyum Alüminyum Alaşımları

Titanyum alüminyum alaşımları, alüminyum ve az miktarda diğer elementlerle birlikte ana bileşen olarak titanyum içerir. İşte tipik bileşim aralığı:

Alaşım Elemanı	Kompozisyon Aralığı	Rol
Titanyum (Ti)	52-56%	Birincil temel eleman
Alüminyum (Al)	44-48%	Ti ile ana alaşım elementi
Niyobyum (Nb)	2%'ye kadar	Mukavemeti ve sürünme direncini artırır
Krom (Cr)	2%'ye kadar	Oksidasyon direncini artırır
Bor (B)	0,2%'ye kadar	Sünekliği artırır
Karbon (C)	0,1%'ye kadar	Gücü artırır
Silisyum (Si)	0.1-1%	Oksidasyon direncini artırır
Tungsten (W)	0.1-1%	Tane boyutunu iyileştirir
Molibden (Mo)	0.1-1%	Gücü artırır

Alaşım elementlerinin yüzdeleri, alaşımda doğru mikroyapı ve özellikleri elde etmek için hassas bir şekilde kontrol edilir.

Titanyum Alüminyum Alaşımlarının Temel Özellikleri

Titanyum Alüminyum Alaşım Mukavemet Özellikleri

Mülkiyet	Değer	Açıklama
Çekme Dayanımı	500 - 1100 MPa	Titanyum alaşımlarına kıyasla çok yüksek mukavemet
Akma Dayanımı (0,2% ofset)	400 - 1000 MPa	Alaşımdaki elastik mukavemet ölçüsü
Basınç Dayanımı	600 - 1500 MPa	Mükemmel basınç dayanımı
Sürünme Dayanımı	100 - 350 MPa	Yüksek sıcaklıklarda yüklere dayanma kabiliyeti
Kırılma Tokluğu	15 - 35 MPa√m	Çatlak ilerlemesine karşı direnç nikel alaşımlarından daha düşüktür

Fiziksel Özellikler

Mülkiyet	Değer
Yoğunluk	3,7 - 4,1 g/cm3
Erime Noktası	1360°C - 1460°C
Termal İletkenlik	6 - 25 W/mK
Elektriksel Dirençlilik	150 - 250 μΩ.cm
Termal Genleşme Katsayısı	11 - 13 x 10-6 /K

Oda Sıcaklığında Mekanik Özellikler

Mülkiyet	Değer	Açıklama
Sertlik	300 - 400 HV	Girintiye karşı direnç ölçümü
Young Modülü	150 - 160 GPa	Sertlik ölçümü
Kayma Modülü	60 - 65 GPa	Sertlik ölçüsü
Poisson Oranı	0.25 – 0.34	Uygulanan yüke dik ve paralel yönlerdeki gerilme ile ilgili oran
İşlenebilirlik	Zor	Çeliklere kıyasla işlenmesi zordur

Uygulamaları ve Kullanım Alanları Titanyum Alüminyum Alaşımları

Titanyum alüminyum alaşımları çok çeşitli yüksek performanslı mühendislik uygulamalarında kullanılır. Bazı önemli kullanım alanları şunlardır:

Havacılık ve Uzay Endüstrisinde Kullanım Alanları

• Kanatlar, diskler, hava giriş kaportaları gibi uçak motoru bileşenleri
• Yüksek hızlı uçaklarda gövde ve kanat yapıları
• Düşük ağırlık ve sıcaklık direnci kombinasyonu nedeniyle uzay aracı parçaları

Otomotiv Endüstrisi Kullanım Alanları

• Turboşarj türbin çarkları ve muhafazaları
• Yüksek performanslı motorlarda biyel kolları, supaplar, yaylar ve bağlantı elemanları
• Konik çubuklar ve valfler gibi motor sporları bileşenleri

Diğer Uygulamalar

• Gaz türbini motor parçaları, enerji üretimi ve denizcilik uygulamaları
• Yapay kalça eklemleri gibi biyomedikal implantlar
• Bisiklet çerçeveleri, golf sopaları gibi spor malzemeleri

İşte titanyum alüminyum alaşımlarının alternatiflerine karşı kullanımının bir karşılaştırması:

Uygulama	TiAl Alaşımları	Alternatif Malzemeler
Uçak Motorları	✅ 750°C'ye kadar mükemmel mukavemet-ağırlık oranı, kanatlar, kanatlar, şaftlar için uygun olmasını sağlar	Nikel süper alaşımlar daha yüksek sıcaklık kapasitesine sahiptir ancak daha ağırdır
Otomotiv Turboşarjları	✅ Yüksek mukavemet, sıcaklık direnci ve nikel alaşımlarından daha düşük yoğunluğun iyi dengesi	Nikel alaşımları daha yüksek pik sıcaklıklara dayanabilir
Uçak gövdeleri	✅ 20-35% uçak kanatları, kuyrukları ve gövdesi için eşdeğer mukavemete sahip titanyum alaşımlarından daha hafif	Titanyum alaşımları daha yüksek kırılma tokluğu sunar
Biyomedikal İmplantlar	✅ İnsan kemiğine doğal bağlanma sağlayan titanyum içerir	Paslanmaz çelik, kobalt krom alaşımları da yaygın olarak kullanılır

Endüstri Standartları ve Spesifikasyonları

Titanyum alüminyum alaşımları için yaygın olarak kullanılan bazı endüstri standartları şunlardır:

Standart	Açıklama
AMS 4928	Gama titanyum alüminit alaşımlı levha, şerit ve plaka için standart şartname
AMS 4965	Toz metalürjisi ile işlenen gama titanyum alüminit alaşımları için standart
AMS 4972	Alfa-beta veya beta titanyum alüminid çubuklar, çubuklar ve teller için standart şartname
ISO 21365	Yapısal gama TiAl alaşımları için şartname
ASTM B381	Cerrahi implantlar için titanyum-alüminyum-vanadyum alaşımları için standart sınıflandırma

Alaşım ürünleri, kimya, mikro yapı ve mekanik özellikler için farklı standartları karşılayan çeşitli kalitelerde sunulmaktadır.

Bazı yaygın titanyum alüminyum kaliteleri şunlardır:

• Ti-48Al-2W-0,5Si (AMS 4928)
• Ti-47Al-2Cr-2Nb (ISO 21365 Sınıf 5)
• Ti-45Al-5Nb-0.2C-0.2B (AMS 4965 Sınıf 5)

Tedarikçiler ve Maliyetler

Titanyum alüminyum alaşımlarının önde gelen küresel tedarikçilerinden bazıları şunlardır:

Tedarikçi	Verilen Sınıflar	Üretim Yöntemleri
VSMPO	Ti-47Al-2Cr-2Nb<br>Ti-48Al-2Cr-2Nb-1Ta-0.7W	Yatırım döküm<br>Dövme
ATI	Ti-48Al-2W-0,5Si<br>Ti-47Al-2Cr-2Nb	Hassas döküm<br>Toz metalurjisi
Precision Castparts Corp	Özel alaşımlar	Yatırım döküm
Plansee	TiAl gama alaşımları	Toz metalurjisi

Titanyum alüminyum alaşımları titanyum alaşımlarından daha pahalıdır ancak nikel bazlı süper alaşımlardan daha ucuzdur. Bazı tipik fiyat tahminleri şunlardır:

Sınıf	Fiyatlandırma Tahmini
Ti-48Al-2Cr-2Nb	$85 - $125 kg başına
Ti-47Al-2W-0,5Si	$100 - $150 kg başına
Özel TiAl alaşımları	$150 - $250 kg başına

Fiyatlandırma, sipariş hacmine, boyut özelliklerine, sertifikasyon gereksinimlerine ve diğer özelleştirmelere göre değişir.

Titanyum Alüminyum Alaşımlarının Avantajları ve Sınırlamaları

Faydaları ve Avantajları

• Çok yüksek özgül mukavemet - yüksek mukavemet/ağırlık oranı
• 750°C'ye kadar mükemmel mukavemet koruması
• İyi çevresel direnç - oksidasyon, yanma ve korozyon
• Nikel ve kobalt süper alaşımlarından daha düşük maliyet
• Dövme, haddeleme için bazı sıcak işlenebilirlik

Eksiklikler ve Sınırlamalar

• İşleme zorlukları - sıcak işlemenin yanı sıra talaşlı imalat
• Oda sıcaklığında kırılgan davranış
• Nispeten düşük kırılma tokluğu
• Maksimum kullanım sıcaklığı 750°C ile sınırlıdır
• Hidrojen ve nem emilimine maruz kalır

İşte alternatiflere göre avantaj ve dezavantajların bir karşılaştırması:

Parametre	TiAl Alaşımları	Nikel Süperalaşımlar	Titanyum Alaşımları
Yüksek Sıcaklık Dayanımı	750°C'ye kadar iyi	✅ 900°C'nin üzerinde mükemmel	500°C'nin üzerinde zayıf
Yoğunluk	En düşük	Daha yüksek	Karşılaştırılabilir
Oksidasyon Direnci	750°C'ye kadar iyi	✅ 800°C'nin üzerinde en iyisi	550°C'nin üzerinde zayıf
Maliyet	Daha düşük	En yüksek	Daha yüksek
İşlenebilirlik	Zayıf	İyi	En iyi
Hasar Toleransı	Zayıf	İyi	Mükemmel

SSS

S: Gama titanyum alüminitler nedir?

C: Gamma TiAl alüminitler, gamma (γ) faz kristal yapısına sahip titanyum (Ti) ve alüminyum (Al) içeren metaller arası alaşımlardır. Ti ve Al atomlarının düzenli bir lamel düzenine sahiptirler. Gama TiAl en yaygın kullanılan alaşım türüdür.

S: TiAl alaşımları neden havacılık ve uzay uygulamaları için düşünülmektedir?

C: TiAl alaşımları düşük yoğunluk ve 750°C'ye kadar iyi mekanik özelliklerin mükemmel bir kombinasyonunu sunar. Bu, çok daha ağır nikel alaşımları yerine TiAl kullanılarak daha hafif ve daha verimli aero-motor bileşenlerinin tasarlanmasına olanak tanır.

S: TiAl turboşarj bileşenlerinin bazı örnekleri nelerdir?

C: TiAl alaşımları, yüksek performanslı dizel ve benzinli otomobil motorlarında turboşarj tekerlekleri ve muhafazaları yapmak için giderek daha fazla kullanılmaktadır. Düşük yoğunluk ve sıcaklık direnci, daha yüksek güç yoğunluğu ve verimlilik sağlar.

S: TiAl alaşımlarının kullanımındaki temel zorluklar nelerdir?

C: Döküm, dövme ve işleme yoluyla işlemenin zorluğunun yanı sıra oda sıcaklığında içsel kırılganlık ve rakip alaşımlara göre daha düşük hasar toleransı, benimsenme için engeller yaratmaktadır. Bununla birlikte, işleme yöntemleri ve alaşım geliştirme ilerlemeye devam etmektedir.

S: TiAl alaşımları için tipik oksijen içeriği sınırı nedir?

C: Oksijen, TiAl alaşımlarında 0,2%'den az olacak şekilde sınırlandırılmıştır. Daha yüksek oksijen seviyeleri sünekliği olumsuz etkiler. Oksijen alımını kontrol etmek için gelişmiş ergitme ve döküm yöntemleri kullanılır.

daha fazla 3D baskı süreci öğrenin

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

Metrik	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.

Uzman Görüşleri

• 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