Ikhtisar
Paduan aluminium titanium adalah kelas bahan logam yang mengandung campuran titanium dan aluminium. Material ini ringan, memiliki kekuatan tinggi, dan ketahanan terhadap korosi dan oksidasi yang sangat baik pada suhu tinggi.
Paduan TiAl dianggap sebagai bahan struktural suhu tinggi yang penting untuk aplikasi kedirgantaraan dan otomotif karena kombinasi unik dari sifat-sifatnya. Kepadatannya yang rendah membuatnya lebih ringan daripada superalloy berbasis nikel, namun tetap mempertahankan kekuatan dan stabilitas pada suhu hingga 750°C.
Properti Utama dari Paduan aluminium titanium
| Properti | Deskripsi |
|---|---|
| Kepadatan | 3,7 - 4,1 g/cm3, jauh lebih rendah dari paduan nikel |
| Kekuatan | Mempertahankan kekuatan tinggi pada suhu hingga 750°C |
| Kekakuan | Modulus elastisitas tinggi sekitar 160 GPa |
| Daktilitas | Rapuh pada suhu kamar tetapi menjadi lebih ulet pada suhu tinggi |
| Ketahanan Korosi | Ketahanan korosi yang sangat baik karena adanya titanium |
| Ketahanan Oksidasi | Membentuk lapisan oksida pelindung yang menghasilkan ketahanan oksidasi yang baik hingga 750°C |
| Biaya | Lebih mahal dari paduan titanium tetapi lebih murah dari paduan nikel |
Jenis-jenis Paduan Aluminium Titanium
Ada dua jenis utama paduan aluminium titanium:
Paduan Gamma TiAl
Paduan Gamma TiAl memiliki struktur mikro pipih dan mengandung sekitar 45-48% titanium, dengan sisanya aluminium. Penambahan kecil elemen seperti niobium, karbon, boron, dan kromium juga dibuat untuk meningkatkan sifat.
Paduan TiAl fase gamma menawarkan keseimbangan yang baik antara kepadatan rendah, kekuatan, keuletan, dan ketahanan oksidasi. Paduan ini merupakan paduan TiAl yang paling banyak digunakan.
Paduan Alfa-2 Ti3Al
Paduan alfa-2 Ti3Al mengandung sekitar 25% aluminium dan memiliki struktur kristal heksagonal. Paduan ini menawarkan kekuatan tarik yang sangat tinggi tetapi memiliki keuletan dan ketangguhan patah yang lebih rendah dibandingkan dengan paduan gamma TiAl.
Paduan alfa-2 biasanya digunakan dalam aplikasi suhu yang sangat tinggi di atas 800°C seperti pada turbocharger.
Komposisi dari Paduan aluminium titanium
Paduan aluminium titanium mengandung titanium sebagai komponen utama, dengan aluminium dan sejumlah kecil elemen lainnya. Berikut ini adalah kisaran komposisi tipikal:
| Elemen Paduan | Rentang Komposisi | Peran |
|---|---|---|
| Titanium (Ti) | 52-56% | Elemen dasar primer |
| Aluminium (Al) | 44-48% | Elemen paduan utama dengan Ti |
| Niobium (Nb) | Hingga 2% | Meningkatkan kekuatan dan ketahanan mulur |
| Kromium (Cr) | Hingga 2% | Meningkatkan ketahanan oksidasi |
| Boron (B) | Hingga 0,2% | Meningkatkan keuletan |
| Karbon (C) | Hingga 0,1% | Meningkatkan kekuatan |
| Silikon (Si) | 0.1-1% | Meningkatkan ketahanan oksidasi |
| Tungsten (W) | 0.1-1% | Menyempurnakan ukuran butir |
| Molibdenum (Mo) | 0.1-1% | Meningkatkan kekuatan |
Persentase elemen paduan dikontrol secara tepat untuk mencapai struktur mikro dan sifat yang tepat dalam paduan.
Sifat Utama Paduan Aluminium Titanium
Sifat Kekuatan Paduan Aluminium Titanium
| Properti | Nilai | Deskripsi |
|---|---|---|
| Kekuatan Tarik | 500 - 1100 MPa | Kekuatan yang sangat tinggi dibandingkan dengan paduan titanium |
| Kekuatan Hasil (offset 0,2%) | 400 - 1000 MPa | Ukuran kekuatan elastis dalam paduan |
| Kekuatan Tekan | 600 - 1500 MPa | Kekuatan tekan yang sangat baik |
| Kekuatan Merayap | 100 - 350 MPa | Kemampuan untuk menahan beban pada suhu tinggi |
| Ketangguhan Fraktur | 15 - 35 MPa√m | Ketahanan terhadap perambatan retak lebih rendah dari paduan nikel |
Sifat Fisik
| Properti | Nilai |
|---|---|
| Kepadatan | 3,7 - 4,1 g/cm3 |
| Titik Leleh | 1360 ° C - 1460 ° C |
| Konduktivitas Termal | 6 - 25 W/mK |
| Tahanan Listrik | 150 - 250 μΩ.cm |
| Koefisien Ekspansi Termal | 11 - 13 x 10 -6 / K |
Sifat Mekanis pada Suhu Kamar
| Properti | Nilai | Deskripsi |
|---|---|---|
| Kekerasan | 300 - 400 HV | Ukuran ketahanan terhadap lekukan |
| Modulus Young | 150 - 160 GPa | Ukuran kekakuan |
| Modulus Geser | 60 - 65 GPa | Ukuran kekakuan |
| Rasio Poisson | 0.25 – 0.34 | Rasio yang menghubungkan regangan dalam arah tegak lurus dan sejajar dengan beban yang diberikan |
| Kemampuan mesin | Sulit | Menantang untuk mesin dibandingkan dengan baja |
Aplikasi dan Penggunaan Paduan aluminium titanium
Paduan aluminium titanium digunakan dalam berbagai aplikasi teknik berkinerja tinggi. Beberapa kegunaan utamanya adalah:
Penggunaan dalam Industri Kedirgantaraan
- Komponen mesin pesawat seperti bilah, cakram, penutup saluran masuk udara
- Struktur badan pesawat dan sayap pada pesawat berkecepatan tinggi
- Suku cadang kendaraan luar angkasa karena kombinasi bobot yang ringan dan tahan terhadap suhu
Penggunaan Industri Otomotif
- Roda dan rumah turbin turbocharger
- Batang penghubung, katup, pegas, dan pengencang pada mesin berkinerja tinggi
- Komponen olahraga motor seperti conrod dan katup
Aplikasi Lainnya
- Suku cadang mesin turbin gas, pembangkit listrik, dan aplikasi kelautan
- Implan biomedis seperti sendi pinggul buatan
- Barang-barang olahraga seperti rangka sepeda, tongkat golf
Berikut ini adalah perbandingan penggunaan paduan aluminium titanium versus alternatif:
| Aplikasi | Paduan TiAl | Bahan Alternatif |
|---|---|---|
| Mesin Pesawat Terbang | ✅ Rasio kekuatan-terhadap-berat yang sangat baik hingga 750 ° C membuatnya cocok untuk bilah, baling-baling, poros | Superalloy nikel memiliki kemampuan suhu yang lebih tinggi tetapi lebih berat |
| Turbocharger Otomotif | ✅ Keseimbangan yang baik antara kekuatan tinggi, ketahanan suhu, dan kepadatan yang lebih rendah dari paduan nikel | Paduan nikel dapat menahan suhu puncak yang lebih tinggi |
| Badan pesawat | ✅ 20-35% lebih ringan dari paduan titanium dengan kekuatan yang setara untuk sayap, ekor, dan badan pesawat | Paduan titanium menawarkan ketangguhan patah yang lebih tinggi |
| Implan Biomedis | ✅ Mengandung titanium yang memungkinkan ikatan alami dengan tulang manusia | Baja tahan karat, paduan krom kobalt juga biasa digunakan |
Standar dan Spesifikasi Industri
Beberapa standar industri yang banyak digunakan untuk paduan aluminium titanium adalah:
| Standar | Deskripsi |
|---|---|
| AMS 4928 | Spesifikasi standar untuk lembaran, strip, dan pelat paduan titanium aluminida gamma |
| AMS 4965 | Standar untuk paduan titanium aluminida gamma yang diproses dengan metalurgi serbuk |
| AMS 4972 | Spesifikasi standar untuk batangan, batang, dan kawat titanium aluminida alfa-beta atau beta |
| ISO 21365 | Spesifikasi untuk paduan TiAl gamma struktural |
| ASTM B381 | Klasifikasi standar untuk paduan titanium-aluminium-vanadium untuk implan bedah |
Produk paduan ditawarkan dalam berbagai tingkatan yang memenuhi standar yang berbeda untuk kimia, struktur mikro, dan sifat mekanik.
Beberapa nilai aluminium titanium yang umum adalah:
- Ti-48Al-2W-0.5Si (AMS 4928)
- Ti-47Al-2Cr-2Nb (ISO 21365 Kelas 5)
- Ti-45Al-5Nb-0.2C-0.2B (AMS 4965 Grade 5)
Pemasok dan Biaya
Beberapa pemasok global terkemuka untuk paduan aluminium titanium meliputi:
| Pemasok | Nilai yang Ditawarkan | Metode Produksi |
|---|---|---|
| VSMPO | Ti-47Al-2Cr-2Nb<br>Ti-48Al-2Cr-2Nb-1Ta-0.7W | Pengecoran investasi<br>Penempaan |
| ATI | Ti-48Al-2W-0.5Si<br>Ti-47Al-2Cr-2Nb | Pengecoran presisi<br>Metalurgi serbuk |
| Precision Castparts Corp | Paduan khusus | Pengecoran investasi |
| Penerima rencana | Paduan gamma TiAl | Metalurgi serbuk |
Paduan aluminium titanium lebih mahal daripada paduan titanium tetapi lebih murah daripada superalloy berbasis nikel. Beberapa perkiraan harga yang umum adalah:
| Kelas | Perkiraan Harga |
|---|---|
| Ti-48Al-2Cr-2Nb | $85 - $125 per kg |
| Ti-47Al-2W-0.5Si | $100 - $150 per kg |
| Paduan TiAl khusus | $150 - $250 per kg |
Harga bervariasi berdasarkan volume pesanan, spesifikasi ukuran, persyaratan sertifikasi, dan penyesuaian lainnya.
Keuntungan dan Keterbatasan Paduan Aluminium Titanium
Manfaat dan Keuntungan
- Kekuatan spesifik yang sangat tinggi - rasio kekuatan-terhadap-berat yang tinggi
- Retensi kekuatan yang sangat baik hingga 750°C
- Ketahanan lingkungan yang baik - oksidasi, pembakaran, dan korosi
- Biaya lebih rendah dari superalloy nikel dan kobalt
- Beberapa kemampuan kerja panas untuk penempaan, penggulungan
Kekurangan dan Keterbatasan
- Kesulitan pemrosesan - pengerjaan panas serta pemesinan
- Perilaku rapuh pada suhu kamar
- Ketangguhan patah yang relatif rendah
- Suhu penggunaan maksimum dibatasi hingga 750°C
- Tunduk pada penyerapan hidrogen dan kelembapan
Berikut ini adalah perbandingan keuntungan dan kerugian dibandingkan dengan alternatif lainnya:
| Parameter | Paduan TiAl | Nikel Superalloys | Paduan Titanium |
|---|---|---|---|
| Kekuatan Suhu Tinggi | Baik hingga suhu 750°C | ✅ Sangat baik di atas 900 ° C | Buruk di atas 500 ° C |
| Kepadatan | ✅ Terendah | Lebih tinggi | Sebanding |
| Ketahanan Oksidasi | Baik hingga suhu 750°C | ✅ Terbaik di atas 800°C | Buruk di atas 550°C |
| Biaya | ✅ Lebih rendah | Tertinggi | Lebih tinggi |
| Kemampuan kerja | Miskin | Bagus. | ✅ Terbaik |
| Toleransi Kerusakan | Miskin | Bagus. | ✅ Luar biasa |
Pertanyaan Umum
T: Apa yang dimaksud dengan aluminida titanium gamma?
J: Gamma TiAl aluminida adalah paduan intermetalik yang mengandung titanium (Ti) dan aluminium (Al) dengan struktur kristal fase gamma (γ). Paduan ini memiliki susunan lamelar yang teratur dari atom Ti dan Al. Gamma TiAl adalah jenis paduan yang paling umum digunakan.
T: Mengapa paduan TiAl dipertimbangkan untuk aplikasi luar angkasa?
J: Paduan TiAl menawarkan kombinasi yang sangat baik antara kepadatan rendah dan sifat mekanik yang baik hingga 750°C. Hal ini memungkinkan komponen mesin aero yang lebih ringan dan lebih efisien untuk dirancang menggunakan TiAl, bukan paduan nikel yang jauh lebih berat.
T: Apa saja contoh komponen turbocharger TiAl?
J: Paduan TiAl semakin banyak digunakan untuk membuat roda dan rumah turbocharger pada mesin mobil diesel dan bensin berperforma tinggi. Kepadatan dan ketahanan suhu yang rendah memberikan kepadatan dan efisiensi daya yang lebih tinggi.
T: Apa tantangan utama dalam menggunakan paduan TiAl?
J: Kesulitan dalam pemrosesan melalui pengecoran, penempaan dan pemesinan serta kerapuhan intrinsik pada suhu kamar, dan toleransi kerusakan yang lebih rendah daripada paduan yang bersaing menciptakan hambatan untuk diadopsi. Namun demikian, metode pemrosesan dan pengembangan paduan terus mengalami kemajuan.
T: Berapa batas kandungan oksigen yang umum untuk paduan TiAl?
J: Oksigen dibatasi hingga kurang dari 0,2% dalam paduan TiAl. Tingkat oksigen yang lebih tinggi berdampak negatif pada keuletan. Metode peleburan dan pengecoran tingkat lanjut digunakan untuk mengontrol pengambilan oksigen.