概述
钛铝合金 是一类含有钛和铝混合物的金属材料。它们重量轻、强度高，在高温下具有出色的耐腐蚀性和抗氧化性。
TiAl 合金因其独特的性能组合而被认为是航空航天和汽车应用领域中一种重要的高温结构材料。其低密度使其比镍基超合金更轻，同时在高达 750°C 的温度下仍能保持强度和稳定性。
的主要特性 钛铝合金
| 物业 | 说明 |
|---|---|
| 密度 | 3.7 - 4.1 克/立方厘米，远低于镍合金 |
| 实力 | 在高达 750°C 的温度下仍能保持高强度 |
| 刚度 | 弹性模量高，约为 160 GPa |
| 延展性 | 室温下较脆，高温下韧性增强 |
| 耐腐蚀性 | 由于含有钛，因此具有出色的耐腐蚀性能 |
| 抗氧化性 | 形成保护性氧化层，具有良好的抗氧化性，温度可达 750°C |
| 费用 | 比钛合金贵，但比镍合金便宜 |
钛铝合金的种类
钛铝合金主要有两种类型：
伽马钛铝合金
Gamma TiAl 合金具有片状微结构，含有约 45-48% 的钛，其余为铝。此外，还添加了少量铌、碳、硼和铬等元素，以增强其性能。
γ相钛铝合金在低密度、强度、延展性和抗氧化性之间取得了良好的平衡。它们是应用最广泛的 TiAl 合金。
Alpha-2 Ti3Al 合金
Alpha-2 Ti3Al 合金含有约 25% 的铝，具有六角形晶体结构。与伽马 TiAl 合金相比，它们的抗拉强度非常高，但延展性和断裂韧性较低。
Alpha-2 合金通常用于 800°C 以上的超高温应用，如涡轮增压器。
组成 钛铝合金
钛铝合金的主要成分是钛，还含有铝和少量其他元素。以下是典型的成分范围：
| 合金元素 | 组成范围 | 角色 |
|---|---|---|
| 钛 (Ti) | 52-56% | 主要基本要素 |
| 铝 (Al) | 44-48% | 与钛的主要合金元素 |
| 铌 (Nb) | 最高 2% | 提高强度和抗蠕变性 |
| 铬 (Cr) | 最高 2% | 增强抗氧化性 |
| 硼 (B) | 高达 0.2% | 提高延展性 |
| 碳 (C) | 高达 0.1% | 增强力量 |
| 硅 (Si) | 0.1-1% | 提高抗氧化性 |
| 钨 (W) | 0.1-1% | 细化粒度 |
| 钼（Mo） | 0.1-1% | 增强力量 |
合金元素的比例得到精确控制，以实现合金中合适的微观结构和性能。
钛铝合金的主要特性
钛铝合金的强度特性
| 物业 | 价值 | 说明 |
|---|---|---|
| 拉伸强度 | 500 - 1100 兆帕 | 与钛合金相比，强度非常高 |
| 屈服强度（0.2% 偏移） | 400 - 1000 兆帕 | 测量合金的弹性强度 |
| 抗压强度 | 600 - 1500 兆帕 | 出色的抗压强度 |
| 蠕变强度 | 100 - 350 兆帕 | 能够承受高温负荷 |
| 断裂韧性 | 15 - 35 兆帕√米 | 抗裂纹扩展能力低于镍合金 |
物理特性
| 物业 | 价值 |
|---|---|
| 密度 | 3.7 - 4.1 克/立方厘米 |
| 熔点 | 1360°c - 1460°c |
| 导热性 | 6 - 25 W/mK |
| 电阻率 | 150 - 250 μΩ.cm |
| 热膨胀系数 | 11 - 13 x 10-6 /K |
室温下的机械性能
| 物业 | 价值 | 说明 |
|---|---|---|
| 硬度 | 300 - 400 高压 | 测量压痕阻力 |
| 杨氏模量 | 150 - 160 GPa | 刚度测量 |
| 剪切模量 | 60 - 65 GPa | 刚度测量 |
| 泊松比 | 0.25 – 0.34 | 与外加载荷垂直和平行方向的应变比 |
| 机械加工性能 | 困难 | 与钢相比，加工难度大 |
缆线的应用和用途 钛铝合金
钛铝合金可广泛应用于高性能工程领域。一些主要用途包括
在航空航天工业中的应用
- 飞机发动机部件，如叶片、圆盘、进气罩
- 高速飞机的机身和机翼结构
- 航天器部件，重量轻，耐高温
汽车行业用途
- 涡轮增压器涡轮和外壳
- 高性能发动机中的连杆、气门、弹簧和紧固件
- 连杆和气门等赛车零部件
其他应用
- 燃气涡轮发动机部件、发电和船舶应用
- 人工髋关节等生物医学植入物
- 体育用品，如自行车架、高尔夫球杆
以下是使用钛铝合金与替代品的比较：
| 应用 | 钛铝合金 | 替代材料 |
|---|---|---|
| 飞机发动机 | ✅ 高达 750°C 的优异强度重量比使其适用于叶片、叶片和轴 | 镍超合金的耐温性更高，但重量更大 |
| 汽车涡轮增压器 | ✅ 与镍合金相比，它在高强度、耐温性和低密度之间取得了良好的平衡 | 镍合金可承受更高的峰值温度 |
| 机身 | ✅ 20-35% 比钛合金轻，但强度相当，可用于飞机机翼、尾翼和机身 | 钛合金具有更高的断裂韧性 |
| 生物医学植入物 | ✅ 含有钛，可与人体骨骼自然结合 | 不锈钢、钴铬合金也很常用 |
行业标准和规格
广泛使用的钛铝合金工业标准有
| 标准 | 说明 |
|---|---|
| AMS 4928 | 伽马钛铝合金板、带和板的标准规格 |
| AMS 4965 | 粉末冶金法加工的伽马铝钛合金标准 |
| AMS 4972 | 阿尔法-贝塔或贝塔铝钛棒材、棒材和线材的标准规格 |
| ISO 21365 | 伽马 TiAl 结构合金规格 |
| ASTM B381 | 外科植入物用钛铝钒合金的标准分类 |
合金产品有多种牌号，符合不同的化学、微观结构和机械性能标准。
常见的钛铝牌号有
- Ti-48Al-2W-0.5Si (AMS 4928)
- 钛-47铝-2铬-2铌（ISO 21365 5 级）
- Ti-45Al-5Nb-0.2C-0.2B（AMS 4965 5 级）
供应商和成本
全球领先的钛铝合金供应商包括
| 供应商 | 提供的年级 | 生产方法 |
|---|---|---|
| 上萨尔达冶金生产协会 | 钛-47Al-2Cr-2Nb<br>Ti-48Al-2Cr-2Nb-1Ta-0.7W | 熔模铸造<br>锻造 |
| ATI | Ti-48Al-2W-0.5Si<br>钛-47Al-2Cr-2Nb | 精密铸造<br>粉末冶金 |
| Precision Castparts Corp | 定制合金 | 熔模铸造 |
| 计划 | TiAl 伽玛合金 | 粉末冶金 |
钛铝合金比钛合金贵，但比镍基超级合金便宜。一些典型的价格估算如下
| 等级 | 定价估算 |
|---|---|
| Ti-48Al-2Cr-2Nb | 每公斤 $85 - $125 |
| Ti-47Al-2W-0.5Si | 每公斤 $100 - $150 |
| 定制 TiAl 合金 | 每公斤 $150 - $250 |
价格根据订单量、尺寸规格、认证要求和其他定制而有所不同。
钛铝合金的优势和局限性
优点和优势
- 极高的比强度 - 高强度重量比
- 优异的强度保持能力，最高可达 750°C
- 良好的耐环境性 - 抗氧化、抗灼烧、抗腐蚀
- 成本低于镍和钴超级合金
- 锻造、轧制的某些热加工性能
缺点和局限性
- 加工困难 - 热加工和机械加工
- 室温下的脆性
- 断裂韧性相对较低
- 最高使用温度限制为 750°C
- 受氢气和湿气吸收的影响
下面是与替代品的优缺点比较：
| 参数 | 钛铝合金 | 镍超合金 | 钛合金 |
|---|---|---|---|
| 高温强度 | 最高可达 750°C | ✅ 在 900°C 以上表现优异 | 500°C 以上较差 |
| 密度 | ✅ 最低 | 更高 | 可比性 |
| 抗氧化性 | 最高可达 750°C | ✅ 800°C 以上最佳 | 高于 550°C 时效果不佳 |
| 费用 | ✅ 降低 | 最高 | 更高 |
| 可加工性 | 贫穷 | 良好 | ✅ 最佳 |
| 损坏容忍度 | 贫穷 | 良好 | ✅ 优秀 |
常见问题
问：什么是伽马钛铝化物？
答：γ TiAl 铝化物是含有钛（Ti）和铝（Al）的金属间合金，具有γ（γ）相晶体结构。它们具有钛原子和铝原子的有序层状排列。伽马钛铝是最常用的合金类型。
问：为什么考虑将 TiAl 合金用于航空航天应用？
答：TiAl 合金具有低密度和良好机械性能的优异组合，最高温度可达 750°C。因此，在设计更轻、更高效的航空发动机部件时，可使用 TiAl 替代更重的镍合金。
问：TiAl 涡轮增压器部件有哪些例子？
答：TiAl 合金越来越多地用于制造高性能柴油和汽油汽车发动机的涡轮增压器轮毂和外壳。其低密度和耐温性能可提供更高的功率密度和效率。
问：使用 TiAl 合金的主要挑战是什么？
答：通过铸造、锻造和机加工进行加工的困难，以及室温下的固有脆性和比竞争合金更低的损伤耐受性，都是采用这种合金的障碍。不过，加工方法和合金开发仍在不断进步。
问：TiAl 合金的典型氧含量限制是多少？
答：钛铝合金中的氧含量限制在 0.2% 以下。较高的氧含量会对延展性产生负面影响。先进的熔炼和铸造方法可用于控制氧气析出量。
