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.
