Übersicht
Titan-Aluminium-Legierungen sind eine Klasse von metallischen Werkstoffen, die eine Mischung aus Titan und Aluminium enthalten. Sie sind leicht, haben eine hohe Festigkeit und eine ausgezeichnete Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen.
TiAl-Legierungen gelten aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaftskombination als wichtiger Hochtemperatur-Strukturwerkstoff für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie. Aufgrund ihrer geringen Dichte sind sie leichter als Superlegierungen auf Nickelbasis und behalten dennoch ihre Festigkeit und Stabilität bei Temperaturen von bis zu 750 °C.
Wichtige Eigenschaften von Titan-Aluminium-Legierungen
| Eigentum | Beschreibung |
|---|---|
| Dichte | 3,7 - 4,1 g/cm3, viel niedriger als Nickellegierungen |
| Stärke | Beibehaltung der hohen Festigkeit bei Temperaturen von bis zu 750°C |
| Steifigkeit | Hoher Elastizitätsmodul von etwa 160 GPa |
| Duktilität | Bei Raumtemperatur spröde, wird bei hohen Temperaturen jedoch dehnbarer |
| Korrosionsbeständigkeit | Hervorragende Korrosionsbeständigkeit durch das Vorhandensein von Titan |
| Oxidationsbeständigkeit | Bildung einer schützenden Oxidschicht, die eine gute Oxidationsbeständigkeit bis zu 750°C gewährleistet |
| Kosten | Teurer als Titanlegierungen, aber billiger als Nickellegierungen |
Arten von Titan-Aluminium-Legierungen
Es gibt zwei Haupttypen von Titan-Aluminium-Legierungen:
Gamma-TiAl-Legierungen
Gamma-TiAl-Legierungen haben ein lamellares Gefüge und enthalten etwa 45-48% Titan, der Rest ist Aluminium. Geringe Zusätze von Elementen wie Niob, Kohlenstoff, Bor und Chrom werden ebenfalls zur Verbesserung der Eigenschaften verwendet.
Die Gamma-Phasen-TiAl-Legierungen bieten ein gutes Gleichgewicht zwischen geringer Dichte, Festigkeit, Duktilität und Oxidationsbeständigkeit. Sie sind die am häufigsten verwendeten TiAl-Legierungen.
Alpha-2 Ti3Al-Legierungen
Alpha-2-Ti3Al-Legierungen enthalten etwa 25% Aluminium und haben eine hexagonale Kristallstruktur. Sie bieten eine sehr hohe Zugfestigkeit, haben aber im Vergleich zu gamma-TiAl-Legierungen eine geringere Duktilität und Bruchzähigkeit.
Alpha-2-Legierungen werden in der Regel bei sehr hohen Temperaturen über 800 °C eingesetzt, z. B. in Turboladern.
Zusammensetzung der Titan-Aluminium-Legierungen
Titan-Aluminium-Legierungen enthalten Titan als Hauptbestandteil, Aluminium und kleine Mengen anderer Elemente. Hier ist der typische Bereich der Zusammensetzung:
| Legierungselement | Zusammensetzung Bereich | Rolle |
|---|---|---|
| Titan (Ti) | 52-56% | Primäres Basiselement |
| Aluminium (Al) | 44-48% | Hauptlegierungselement mit Ti |
| Niobium (Nb) | Bis zu 2% | Erhöht die Festigkeit und Kriechbeständigkeit |
| Chrom (Cr) | Bis zu 2% | Erhöht die Oxidationsbeständigkeit |
| Bor (B) | Bis zu 0,2% | Verbessert die Duktilität |
| Kohlenstoff (C) | Bis zu 0,1% | Erhöht die Festigkeit |
| Silizium (Si) | 0.1-1% | Verbessert die Oxidationsbeständigkeit |
| Wolfram (W) | 0.1-1% | Verfeinert die Korngröße |
| Molybdän (Mo) | 0.1-1% | Erhöht die Festigkeit |
Die Anteile der Legierungselemente werden genau kontrolliert, um die richtige Mikrostruktur und die richtigen Eigenschaften der Legierung zu erreichen.
Wichtige Eigenschaften von Titan-Aluminium-Legierungen
Festigkeitseigenschaften von Titan-Aluminium-Legierungen
| Eigentum | Wert | Beschreibung |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit | 500 - 1100 MPa | Sehr hohe Festigkeit im Vergleich zu Titanlegierungen |
| Streckgrenze (0,2% Offset) | 400 - 1000 MPa | Maß für die elastische Festigkeit einer Legierung |
| Druckfestigkeit | 600 - 1500 MPa | Ausgezeichnete Druckfestigkeit |
| Kriechfestigkeit | 100 - 350 MPa | Fähigkeit, Belastungen bei hohen Temperaturen standzuhalten |
| Bruchzähigkeit | 15 - 35 MPa√m | Der Widerstand gegen Rissausbreitung ist geringer als bei Nickellegierungen |
Physikalische Eigenschaften
| Eigentum | Wert |
|---|---|
| Dichte | 3,7 - 4,1 g/cm3 |
| Schmelzpunkt | 1360°C - 1460°C |
| Wärmeleitfähigkeit | 6 - 25 W/mK |
| Elektrischer spezifischer Widerstand | 150 - 250 μΩ.cm |
| Wärmeausdehnungskoeffizient | 11 - 13 x 10-6 /K |
Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur
| Eigentum | Wert | Beschreibung |
|---|---|---|
| Härte | 300 - 400 HV | Maß für den Widerstand gegen Eindrücken |
| Elastizitätsmodul | 150 - 160 GPa | Maß für die Steifigkeit |
| Schermodus | 60 - 65 GPa | Maß für die Steifigkeit |
| Querkontraktionszahl | 0.25 – 0.34 | Verhältnis der Dehnungen in den Richtungen senkrecht und parallel zur aufgebrachten Last |
| Bearbeitbarkeit | Schwierig | Schwierig zu bearbeiten im Vergleich zu Stählen |
Anwendungen und Einsatzmöglichkeiten von Titan-Aluminium-Legierungen
Titan-Aluminium-Legierungen werden in einer Vielzahl von technischen Hochleistungsanwendungen eingesetzt. Einige wichtige Anwendungen sind:
Verwendung in der Luft- und Raumfahrtindustrie
- Komponenten von Flugzeugtriebwerken wie Schaufeln, Scheiben, Lufteinlassverkleidungen
- Zelle und Flügelstrukturen in Hochgeschwindigkeitsflugzeugen
- Raumfahrzeugteile aufgrund der Kombination aus geringem Gewicht und Temperaturbeständigkeit
Verwendung in der Automobilindustrie
- Turbolader-Turbinenräder und -Gehäuse
- Pleuelstangen, Ventile, Federn und Verbindungselemente in Hochleistungsmotoren
- Motorsportkomponenten wie Pleuel und Ventile
Andere Anwendungen
- Teile für Gasturbinenmotoren, Stromerzeugung und Schiffsanwendungen
- Biomedizinische Implantate wie künstliche Hüftgelenke
- Sportartikel wie Fahrradrahmen, Golfschläger
Hier finden Sie einen Vergleich zwischen der Verwendung von Titan-Aluminium-Legierungen und Alternativen:
| Anmeldung | TiAl-Legierungen | Alternative Materialien |
|---|---|---|
| Flugzeugtriebwerke | ✅ Hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bis zu 750°C, daher geeignet für Schaufeln, Flügel und Wellen | Nickel-Superlegierungen haben eine höhere Temperaturbeständigkeit, sind aber schwerer |
| Turbolader für Kraftfahrzeuge | ✅ Gute Ausgewogenheit von hoher Festigkeit, Temperaturbeständigkeit und geringerer Dichte als bei Nickellegierungen | Nickellegierungen können höheren Spitzentemperaturen standhalten |
| Flugzeuge | ✅ 20-35% leichter als Titanlegierungen bei gleicher Festigkeit für Tragflächen, Leitwerke und Flugzeugrumpf | Titanlegierungen bieten höhere Bruchzähigkeit |
| Biomedizinische Implantate | ✅ Enthält Titan, das eine natürliche Verbindung mit dem menschlichen Knochen ermöglicht | Rostfreier Stahl, Kobalt-Chrom-Legierungen werden ebenfalls häufig verwendet |
Industrienormen und Spezifikationen
Einige weit verbreitete Industrienormen für Titan-Aluminium-Legierungen sind:
| Standard | Beschreibung |
|---|---|
| AMS 4928 | Standardspezifikation für Bleche, Streifen und Platten aus Gamma-Titanaluminid-Legierungen |
| AMS 4965 | Norm für pulvermetallurgisch hergestellte Gamma-Titanaluminid-Legierungen |
| AMS 4972 | Standardspezifikation für Alpha-Beta- oder Beta-Titanaluminide in Stäben, Stangen und Draht |
| ISO 21365 | Spezifikation für strukturelle Gamma-TiAl-Legierungen |
| ASTM B381 | Standardklassifizierung für Titan-Aluminium-Vanadium-Legierungen für chirurgische Implantate |
Legierungsprodukte werden in einer Vielzahl von Qualitäten angeboten, die unterschiedliche Standards für Chemie, Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften erfüllen.
Einige gängige Titan-Aluminiumsorten sind:
- Ti-48Al-2W-0,5Si (AMS 4928)
- Ti-47Al-2Cr-2Nb (ISO 21365 Grad 5)
- Ti-45Al-5Nb-0.2C-0.2B (AMS 4965 Grad 5)
Lieferanten und Kosten
Zu den weltweit führenden Anbietern von Titan-Aluminium-Legierungen gehören:
| Anbieter | Angebotene Klassenstufen | Produktionsmethoden |
|---|---|---|
| VSMPO | Ti-47Al-2Cr-2Nb<br>Ti-48Al-2Cr-2Nb-1Ta-0.7W | Feinguss<br>Schmieden |
| ATI | Ti-48Al-2W-0,5Si<br>Ti-47Al-2Cr-2Nb | Präzisionsguss<br>Pulvermetallurgie |
| Precision Castparts Corp. | Kundenspezifische Legierungen | Feinguss |
| Plansee | TiAl-Gamma-Legierungen | Pulvermetallurgie |
Titan-Aluminium-Legierungen sind teurer als Titanlegierungen, aber billiger als Superlegierungen auf Nickelbasis. Einige typische Preisschätzungen sind:
| Klasse | Kostenvoranschlag |
|---|---|
| Ti-48Al-2Cr-2Nb | $85 - $125 pro kg |
| Ti-47Al-2W-0,5Si | $100 - $150 pro kg |
| Kundenspezifische TiAl-Legierungen | $150 - $250 pro kg |
Die Preise variieren je nach Auftragsvolumen, Größenspezifikationen, Zertifizierungsanforderungen und anderen Anpassungen.
Vorteile und Beschränkungen von Titan-Aluminium-Legierungen
Nutzen und Vorteile
- Sehr hohe spezifische Festigkeit - hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht
- Hervorragende Festigkeitserhaltung bis zu 750°C
- Gute Umweltbeständigkeit - Oxidation, Verbrennung und Korrosion
- Niedrigere Kosten als Nickel- und Kobalt-Superlegierungen
- Einige Warmumformbarkeit zum Schmieden, Walzen
Unzulänglichkeiten und Beschränkungen
- Schwierigkeiten bei der Verarbeitung - sowohl bei der Warmumformung als auch bei der Bearbeitung
- Sprödes Verhalten bei Raumtemperatur
- Relativ geringe Bruchzähigkeit
- Maximale Einsatztemperatur auf 750°C begrenzt
- Anfällig für Wasserstoff- und Feuchtigkeitsaufnahme
Hier finden Sie einen Vergleich der Vor- und Nachteile im Vergleich zu Alternativen:
| Parameter | TiAl-Legierungen | Nickel-Superlegierungen | Titan-Legierungen |
|---|---|---|---|
| Hohe Temperaturbeständigkeit | Gut bis zu 750°C | ✅ Ausgezeichnet über 900°C | Schlecht über 500°C |
| Dichte | ✅ Niedrigste | Höher | Vergleichbar |
| Oxidationsbeständigkeit | Gut bis zu 750°C | ✅ Am besten über 800°C | Schlecht über 550°C |
| Kosten | ✅ Niedriger | Höchste | Höher |
| Verarbeitbarkeit | Schlecht | Gut | ✅ Am besten |
| Schadenstoleranz | Schlecht | Gut | ✅ Ausgezeichnet |
FAQs
F: Was sind Gamma-Titanaluminide?
A: Gamma-TiAl-Aluminide sind intermetallische Legierungen, die Titan (Ti) und Aluminium (Al) mit einer Kristallstruktur der Gamma-Phase (γ) enthalten. Sie weisen eine geordnete lamellare Anordnung von Ti- und Al-Atomen auf. Gamma-TiAl ist der am häufigsten verwendete Legierungstyp.
F: Warum werden TiAl-Legierungen für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt in Betracht gezogen?
A: TiAl-Legierungen bieten eine hervorragende Kombination aus geringer Dichte und guten mechanischen Eigenschaften bis zu 750°C. Dadurch können leichtere und effizientere Triebwerkskomponenten unter Verwendung von TiAl anstelle von viel schwereren Nickellegierungen entwickelt werden.
F: Was sind einige Beispiele für TiAl-Turboladerkomponenten?
A: TiAl-Legierungen werden zunehmend zur Herstellung von Turboladerrädern und -gehäusen in Hochleistungsdiesel- und -benzinmotoren verwendet. Die geringe Dichte und Temperaturbeständigkeit sorgen für eine höhere Leistungsdichte und Effizienz.
F: Was sind die größten Herausforderungen bei der Verwendung von TiAl-Legierungen?
A: Die schwierige Verarbeitung durch Gießen, Schmieden und Zerspanen sowie die Sprödigkeit bei Raumtemperatur und die im Vergleich zu konkurrierenden Legierungen geringere Schadenstoleranz stellen Hindernisse für die Einführung dar. Die Verarbeitungsmethoden und die Legierungsentwicklung schreiten jedoch weiter voran.
F: Was ist der typische Grenzwert für den Sauerstoffgehalt von TiAl-Legierungen?
A: Der Sauerstoffgehalt in TiAl-Legierungen ist auf weniger als 0,2% begrenzt. Höhere Sauerstoffgehalte wirken sich negativ auf die Duktilität aus. Um die Sauerstoffaufnahme zu kontrollieren, werden fortschrittliche Schmelz- und Gießverfahren eingesetzt.
