Aluminium vs.. titanium: Logam ringan mana yang menang？

1. Perkenalan

Aluminium vs.. Titanium peringkat di antara logam teknik terpenting, masing -masing unggul dalam aplikasi tertentu.

Kepadatan rendah aluminium dan konduktivitas yang sangat baik membuatnya ada di mana -mana di pesawat pesawat terbang, Bingkai otomotif, dan penukar panas.

Kekuatan superior Titanium, resistensi kelelahan, dan biokompatibilitas sesuai dengan komponen mesin jet, Implan medis, dan peralatan pemrosesan bahan kimia.

Dengan membandingkan logam ini di seluruh mekanis, panas, kimia, ekonomis, dan dimensi lingkungan, Insinyur dapat memilih bahan optimal untuk aplikasi yang menuntut.

2. Komposisi dan Klasifikasi Kimia

• Aluminium (Al, Nomor atom 13): Milik kelompok 13, ditandai dengan struktur kristal kubik yang berpusat pada wajah.
  Aluminium murni (99.9%+) lembut, Tapi paduan dengan elemen seperti tembaga (Cu), magnesium (Mg), atau silikon (Dan) Membuka Kunci Sifat Mekanik yang Beragam.
• titanium (Dari, Nomor atom 22): Grup 4 transisi logam dengan heksagonal tertutup (A) atau kubik yang berpusat pada tubuh (B) struktur.
  Titanium murni (Kelas 1–4) itu ulet, sementara paduan seperti TI-6AL-4V (Nilai 5) Gabungkan aluminium (Al) dan vanadium (V) untuk kekuatan superior.

Keluarga Paduan Kunci

3. Sifat fisik aluminium vs. titanium

4. Kinerja mekanis aluminium VS. titanium

Kinerja Mekanik Menentukan Bagaimana Bahan Menanggapi Di Bawah Beban, dampak, dan stres siklik.

Di bagian ini, Kami membandingkan kekuatan tarik, kekakuan, keuletan, kekerasan, kelelahan, dan resistensi creep untuk aluminium yang representatif. paduan titanium.

Kekuatan tarik dan kekuatan luluh

Paduan aluminium biasanya menawarkan kekuatan sedang. Misalnya, 6061-T6 mencapai kekuatan tarik (Uts) kira -kira 310 MPa dan kekuatan luluh (0.2 % mengimbangi) dari 275 MPa.

Sebaliknya, TI-6AL-4V (Nilai 5) memberikan UTS dekat 900 MPa dengan kekuatan luluh 830 MPa.

Bahkan varian aluminium berkekuatan tinggi seperti 7075-T6 (UTS ≈ 570 MPa) tidak dapat menandingi kinerja puncak Titanium.

Modulus dan kekakuan elastis

Kekakuan, ditentukan oleh modulus elastis (E), mengatur defleksi di bawah beban.

Modulus Aluminium (~ 69 IPK) membuatnya relatif fleksibel, yang dapat menguntungkan redaman getaran tetapi membatasi kekakuan struktural.

titanium, dengan E ≈ 110 IPK, Mengurangi defleksi secara kasar 60 % di bawah beban yang sebanding, Mengaktifkan desain yang lebih ringan dalam aplikasi stres tinggi.

Keuletan dan kekerasan

Aluminium unggul dalam daktilitas-6061-T6 memanjang 12–17 % sebelum fraktur-fasilitasi menggambar dalam dan penyerapan energi zona tabrakan dalam struktur otomotif.

Dukungan TI-6AL-4V 10–15 % pemanjangan, Saat mencapai kekerasan Brinell 330 HB dibandingkan dengan 95 HB untuk 6061-t6.

Kombinasi titanium dari daktilitas yang baik dan kekerasan tinggi mendukung penggunaannya dalam komponen kritis kelelahan.

Kekuatan kelelahan

Kehidupan kelelahan menentukan daya tahan komponen di bawah pemuatan siklik.

6061-T6 Aluminium menunjukkan batas ketahanan di sekitar 95–105 MPa (R = –1), sementara Ti-6al-4V mencapai 400–450 MPa dalam spesimen yang dipoles.

Kekuatan titanium yang jauh lebih tinggi menjelaskan prevalensinya dalam mesin berputar, Fitting Airframe, dan implan biomedis yang mengalami jutaan siklus beban.

Resistensi Creep

Creep - deformasi progresif di bawah tekanan berkelanjutan pada suhu tinggi - begin dalam paduan aluminium di atas 150 ° C., membuat mereka tidak cocok untuk layanan suhu tinggi jangka panjang.

Sebaliknya, Ti-6al-4V menahan tekanan hingga 400–600 ° C. dengan creep yang dapat diabaikan selama ribuan jam, Membuatnya sangat diperlukan untuk komponen mesin jet dan tubing penukar panas.

Tabel Ringkasan

5. Resistensi korosi & Stabilitas lingkungan

Lapisan oksida pasif: Garis pertahanan pertama

Aluminium

Bentuk aluminium a Lapisan Nanoscale Al₂o₃ (2–5 nm tebal) dalam hitungan detik setelah paparan udara, menghalangi oksigen dan kelembaban dari matriks logam.

Film ini penyembuhan diri sendiri—Cratches atau lecet memicu reformasi segera, Membuat aluminium sangat resisten terhadap korosi atmosfer.

• Mekanisme: Kromium, magnesium, atau silikon dalam paduan (MISALNYA., 6061-T6) Tingkatkan adhesi oksida, tapi aluminium murni (Nilai 1100) hanya bergantung pada integritas al₂o₃.
• Batasan: Film ini berpori untuk ion klorida (Cl⁻), mengarah ke Korosi pitting di lingkungan asin.
  Anodisasi mengental lapisan 15–25 μm, Meningkatkan resistensi semprot garam dari 500 jam (Aluminium telanjang) ke 1,000+ jam (ASTM B117), meskipun tetap rentan terhadap korosi celah di bawah gasket atau pengencang.

titanium

Titanium berkembang lebih tipis tapi lebih padat Lapisan tio₂ (1–3 nm), yang secara kimiawi lembam dan kuat secara mekanis.

Film ini bertanggung jawab atas ketahanan legendaris titanium terhadap lingkungan yang ekstrem:

• Mekanisme: Lapisan TiO₂ secara termodinamik stabil hingga 600° C., dengan kekuatan dielektrik 30 Mv/m,
  jauh melebihi al₂o₃ (15 Mv/m). Bahkan dalam garam cair, itu direformasi secara instan setelah kerusakan.
• Keunggulan: Ti-6al-4V tiket 5,000+ jam Dalam tes semprotan garam - lima kali lebih lama dari aluminium anodized - tanpa pitting atau pembentukan skala,
  menjadikannya satu-satunya logam yang tidak dilapisi yang cocok untuk perendaman air laut jangka panjang.

Lingkungan laut dan klorida

Di air laut, Paduan Aluminium (Terutama seri 5xxx dan 6xxx) menderita korosi pitting setelah konsentrasi klorida melebihi beberapa ratus ppm kecuali mereka menerima lapisan anodik atau organik.

Titanium unggul di sini: Nilai 2 dan TI-6AL-4V tetap bebas pitting di air laut berkekuatan penuh, Terima kasih kepada stabilitas yang luar biasa Tio.

Keuntungan ini menjadikan titanium bahan pilihan untuk tanaman desalinasi, perangkat keras laut, dan konektor bawah laut.

Media asam dan alkali

Aluminium larut dalam asam kuat (ph < 4) dan pangkalan yang kuat (ph > 9) kecuali diperlakukan secara khusus.

Misalnya, 6061-T6 mengalami air hujan asam ringan tetapi dengan cepat terdegradasi dalam larutan sulfat atau natrium hidroksida terkonsentrasi.

Sebaliknya, Titanium berdiri untuk kedua asam kuat (MISALNYA., Hcl, H₂so₄) dan solusi alkali pada suhu sekitar, asalkan tidak ada agen pengoksidasi.

Pertimbangan Korosi Galvanik

Saat aluminium menghubungi logam yang lebih mulia (seperti titanium atau stainless steel) dalam elektrolit, itu berfungsi sebagai mitra anodik dan terkorosi secara istimewa.

Desainer harus mengisolasi sendi logam yang berbeda-menggunakan plastik, sealant, atau pelapis penghalang - untuk mencegah serangan galvanik yang cepat pada komponen aluminium.

Stabilitas jangka panjang dan perawatan permukaan

Selama bertahun -tahun pelayanan, Film oksida aluminium tetap tipis tetapi mungkin menderita serangan lokal; Recoating atau anodisasi berkala membantu menjaga perlindungan.

Lapisan oksida titanium tetap stabil tanpa batas waktu, bahkan di bawah suhu siklik 550 ° C., dengan risiko spallation minimal.

Untuk lingkungan yang ekstrem, seperti insinerator limbah atau reaktor kimia agresif,

Insinyur sering menerapkan lapisan tambahan (MISALNYA., Cat polimer pada aluminium, semprotan termal keramik pada titanium) untuk memberikan penghalang tambahan terhadap erosi dan paparan kimia.

6. Fabrikasi dan kemampuan mesin: Kompleksitas dan aksesibilitas yang kontras

Fabrikasi dan kemampuan mesin aluminium VS. Titanium berbeda secara signifikan, Didorong oleh sifat fisik dan kimia paduan mereka.

Titik lebur rendah aluminium dan kelenturan memungkinkan hemat biaya, Produksi volume tinggi,

Sedangkan ketahanan suhu tinggi titanium dan permintaan reaktivitas menuntut teknik khusus, memengaruhi kompleksitas manufaktur dan viabilitas penggunaan akhir.

Casting dan forging: Skalabilitas vs.. Spesialisasi

Aluminium: Juara produksi massal

• Dominasi casting: Dengan titik pencairan 660° C.- Terendah di antara logam teknik umum - aluminium unggul casting pasir, pengecoran mati, Dan casting investasi.
  Casting mati, secara khusus, mencapai geometri yang rumit (ketebalan dinding setipis 0.8 mm) dengan kecepatan 100 siklus/jam, Ideal untuk blok mesin otomotif (MISALNYA., A356 Aluminium, biaya: $2–5/kg).
• Efisiensi penempaan: Hot Forging at 400–500 ° C. menghasilkan komponen berkekuatan tinggi seperti iga sayap pesawat (7075-T6), dengan kehidupan mati melebihi 10,000 siklus Karena pakaian yang rendah.
  Penempaan dingin selanjutnya meningkatkan permukaan akhir (RA ≤0,8 μm) untuk barang konsumen seperti bingkai smartphone.

titanium: Khusus untuk kemurnian tinggi, Bagian stres tinggi

• CASTING Tantangan: Titanium 1,668Titik leleh C. mengharuskan casting vakum untuk mencegah kontaminasi oksigen/nitrogen, yang akan memeluk logam.
  Ini meningkatkan biaya peralatan 300% dibandingkan dengan aluminium, Dengan Cetakan Kehidupan Terbatas 1,000–5.000 siklus (MISALNYA., Ti-6al-4V Turbine Casings, biaya: $30–100/kg).
• Penempaan Persyaratan: Hot Forging at 900–1.000 ° C. Di Atmosfer Terkontrol membentuk komponen kekuatan tinggi seperti Aircraft Landing Gear,
  Tapi biaya perkakas 10x lebih tinggi dari aluminium, dan hasil hasil material 60–70% Karena resistensi deformasi yang tinggi.

Pengelasan dan pemesinan: Teknik dan pengorbanan

Pengelasan: Presisi vs.. Perlindungan

• Pengelasan aluminium:

• • Metode: AKU (Gawn) dan tig (GTAW) adalah standar, menggunakan logam pengisi seperti 4043 (Al-si) atau 5356 (Al-mg).
    Jangkauan kecepatan pengelasan 1–2 m/saya, Tapi risiko porositas (dari hidrogen terlarut) membutuhkan permukaan yang bersih dan pemanasan awal (100–150 ° C untuk bagian yang tebal).
  • Biaya: $50–100 per jam, dengan perlakuan panas pasca-keluhan (untuk 7075-t6) menambahkan 15–20% untuk memproses waktu.

• Pengelasan Titanium:

• • Metode: Pengelasan TIG di bawah argon murni atau pengelasan balok elektron dalam ruang hampa untuk mencegah Stabilisasi β-fase dari oksigen (yang mengurangi keuletan).
    Kecepatan pengelasan adalah 30% lebih lambat dari aluminium, dan logam pengisi (MISALNYA., Ti-6al-4V Wire, $50/kg) 5x lebih mahal.
  • Biaya: $200–300 per jam, dengan kontrol kualitas yang ketat (MISALNYA., Inspeksi X-ray untuk 100% lasan dirgantara).

Pemesinan: Kecepatan vs.. Manajemen panas

• Kemampuan mesin aluminium:

• • Keuntungan: Konduktivitas termal yang tinggi (205 W/m · k) menghilang panas secara efisien, memungkinkan pemesinan berkecepatan tinggi dengan Alat HSS pada 200–300 m/i (kecepatan pemotongan).
    Kekasaran permukaan serendah Ra 0.4 μm dapat dicapai dengan pabrik akhir karbida, Ideal untuk bagian presisi seperti heat sink.
  • Kehidupan alat: Minimal kerja keras berarti penggantian alat terjadi setiap 5–8 jam dalam operasi berkelanjutan, secara signifikan lebih rendah dari 1-2 jam titanium.

• Machinability Titanium:

• • Tantangan: Konduktivitas termal rendah (16 W/m · k) perangkap panas di antarmuka alat-kerja, Meningkatkan keausan alat 50%.
    Kecepatan pemesinan terbatas 50–80 m/me, dan hanya alat karbida atau keramik (biaya: $100+/menyisipkan) dapat menahan kekuatan pemotongan tinggi (20% lebih tinggi dari aluminium).
  • Kebutuhan pendingin: Pendingin bertekanan tinggi (80–100 bar) wajib untuk mencegah tepi yang dibangun, meningkatkan waktu pemesinan oleh 30% dan konsumsi cairan dengan 40%.

Perlakuan permukaan: Meningkatkan fungsi dan bentuk

Perawatan permukaan aluminium

• Anodisasi: Proses yang hemat biaya ($10–20/m²) yang menumbuhkan lapisan al₂o₃ berpori (5–25 μm), Meningkatkan resistensi korosi (Resistensi semprotan garam: 1,000+ jam) dan memungkinkan warna cerah.
  Profil Arsitektur (6063-T6) Umumnya menggunakan anodisasi asam sulfat untuk daya tahan dan daya tarik estetika.
• Lapisan Serbuk: Diterapkan pada 180-200 ° C., Ini memberikan hasil akhir yang tahan UV (5–10 tahun garansi) Untuk komponen luar ruangan seperti pagar aluminium, dengan kekuatan adhesi melebihi 5 N/mm.

Perlakuan permukaan titanium

• Nitriding plasma: Meningkatkan kekerasan permukaan menjadi 1,000–1.500 hv (vs.. 350 HV untuk As-6al-4V As-Mesin), Penting untuk bagian tahan aus seperti poros roda gigi di aplikasi laut.
  Biaya: $50–100/m², Tapi umur meningkat 2X di lingkungan abrasif.
• Deposisi uap fisik (Pvd): Simpan DLC (karbon seperti berlian) atau pelapis timah (5–10 μm) untuk mengurangi gesekan (Koefisien ≤0.2),
  digunakan dalam implan medis titanium untuk meningkatkan biokompatibilitas dan resistensi keausan.

7. Rasio berat terhadap kekuatan dan aplikasi struktural

Dominasi Aerospace

• Aluminium: Mengontrol 70–80% dari berat badan pesawat (MISALNYA., Boeing 737), dengan 2024-T3 digunakan untuk kulit badan pesawat karena biaya dan kemampuan formulir.
  Batasan: Melunak di atas 150 ° C., mengharuskan titanium untuk suku cadang mesin (MISALNYA., Ti-6al-4V dalam turbin Airbus A350, beroperasi pada 500 ° C.).
• titanium: Akun untuk 15–20% dari berat jet modern (Boeing 787), dengan kekakuan dan ketahanan kelelahan yang ideal untuk sayap dan landing gear, meskipun ada 60% lebih berat dari aluminium.

Trade-off otomotif

• Aluminium: Mendominasi penutup baterai EV (Tesla Model y, 40% penghematan berat vs.. baja) dan panel tubuh (Audi A8, 40% lebih ringan dari baja), didorong oleh biaya ($20/kg untuk bagian yang dibentuk).
• titanium: Penggunaan ceruk dalam komponen kinerja tinggi seperti sistem pembuangan (50% lebih ringan dari stainless steel, tetapi $ 1.000+/kg), dibatasi oleh biaya tetapi dihargai untuk ketahanan korosi pada kendaraan mewah.

8. Pertimbangan Biaya dan Ekonomi

Bahan baku dan biaya pemrosesan

• Aluminium: Biaya utama: $2–3/kg; didaur ulang: $1–2/kg (cadangan bauksit yang berlimpah di Australia, Cina).
• titanium: Titanium spons: $30–60/kg; Bar paduan: $100–200/kg (tergantung pada bijih rutil/ilmenit yang jarang, 90% bersumber dari Australia dan Afrika Selatan).

Ekonomi siklus hidup

• Pemeliharaan: Aluminium membutuhkan lapisan berkala (MISALNYA., anodisasi setiap 10 bertahun-tahun, $50/m²), Sementara film pasif Titanium mengurangi pemeliharaan 70% di lingkungan yang keras.
• Daur ulang: Aluminium mengarah dengan 90% tingkat daur ulang, penghematan 95% Energi vs.. produksi utama; Titanium mendaur ulang di 50–70%, dibatasi oleh kontaminasi paduan tetapi masih menabung 85% energi.

9. Aplikasi aluminium VS. titanium

Luar angkasa

• Aluminium mendominasi komponen struktural besar seperti kulit sayap, panel pesawat, dan balok lantai.
  Kepadatan rendah dan kemampuan format yang sangat baik memungkinkan produsen untuk membuat cahaya, Ekstrusi kompleks dan rakitan terpaku yang digunakan dalam pesawat komersial (MISALNYA., 2024-Paduan T3 dan 6061-T6).
• titanium Menemukan tempatnya di lingkungan suhu tinggi dan stres tinggi - pisau kipas angin, Disk kompresor, dan komponen knalpot.
  Kehidupan kelelahan unggul Ti-6al-4V dan resistensi korosi memungkinkan bagian turbin untuk menahan suhu hingga 600 ° C., di mana paduan aluminium akan melunak.

Otomotif

• Aluminium sangat fitur di blok mesin, kepala silinder, roda, dan panel tubuh mobil modern, mengurangi massa kendaraan sebanyak 100 kg dalam desain intensif aluminium.
  Di kendaraan listrik, Penggunaannya di rumah baterai dan penukar panas berkontribusi langsung ke jangkauan yang diperluas.
• titanium, sedangkan lebih mahal, muncul dalam sistem pembuangan kinerja dan pegas katup untuk mobil berkinerja tinggi dan balap.
  Penggunaannya dalam Menghubungkan Batang dan Pengencang Menghasilkan Kekuatan dan Tahan Panas Tanpa Hukuman Berat yang Berlebih.

Medis dan Biomedis

• Aluminium Membuat bingkai ringan untuk peralatan diagnostik dan furnitur rumah sakit di mana biokompatibilitas tidak kritis.
• titanium berdiri tak tertandingi untuk implan - penggantian dan lutut, perlengkapan gigi, dan batang tulang belakang - karena filmnya mencegah korosi body -fluid dan mendorong osseointegrasi.
  Nilai 5 Implan TI-6AL-4V secara rutin dekade terakhir in vivo.

Marinir dan lepas pantai

• Aluminium paduan (5Seri XXX) melayani dalam superstruktur, lambung kerajinan berkecepatan tinggi, dan tiang antena maritim.
  Bobot rendah mereka meningkatkan daya apung dan efisiensi bahan bakar, meskipun mereka membutuhkan pelapis pelindung terhadap lubang air asin.
• titanium unggul dalam pipa air laut, tabung penukar panas, dan perumahan submersible, di mana korosi yang diinduksi klorida akan dengan cepat menurunkan aluminium atau baja.
  Layanan jangka panjangnya di pabrik desalinasi dan sumur bawah laut membenarkan biaya bahan premium.

Olahraga dan Rekreasi

• Aluminium tetap menjadi bahan pilihan untuk bingkai sepeda, raket tenis, dan Perlengkapan Berkemah-Menggabungkan Keterjangkauan dengan Rasio Kekuatan terhadap Weight yang menguntungkan.
• titanium melayani peralatan kelas atas: Kepala klub golf, garpu sepeda premium, dan bingkai kacamata.
  Dalam aplikasi ini, Pengguna menghargai respons kelelahan titanium, kekebalan korosi, dan "nuansa" yang khas.

Energi dan industri

• Aluminium melakukan dalam sirip penukar panas, belitan transformator, dan saluran transmisi overhead, Di mana konduktivitas termal dan listrik yang tinggi mendorong efisiensi.
• titanium melayani dalam kapal pemrosesan bahan kimia, Unit Desulfurisasi Aliran, dan penerima solar terkonsentrasi, memanfaatkan ketahanannya terhadap serangan asam dan bersepeda termal hingga 600 ° C..

10. Ringkasan Keuntungan dan Kekurangan

Aluminium

• Keuntungan: Berat rendah, konduktivitas tinggi, hemat biaya, mudah didaur ulang, kemampuan bentuk yang sangat baik.
• Kerugian: Kekuatan suhu tinggi terbatas, Resistensi korosi sedang, Masalah galvanik.

titanium

• Keuntungan: Kekuatan tinggi-untuk-berat, Resistensi korosi yang luar biasa, kinerja suhu tinggi, Biokompatibilitas.
• Kerugian: Biaya Tinggi, fabrikasi yang sulit, Konduktivitas yang lebih rendah, Daur ulang yang lebih kompleks.

11. Ringkasan Perbandingan Tabel Aluminium VS. titanium

12. Kesimpulan

Aluminium vs.. Titanium menempati peran pelengkap dalam teknik: Aluminium menawarkan biaya yang hemat biaya, kinerja ringan untuk aplikasi volume tinggi, Sementara titanium memberikan kekuatan yang luar biasa dan resistensi korosi untuk lingkungan yang menuntut.

Ke depan, Fokus Aluminium akan bergeser ke arah produksi yang lebih hijau dan komposit canggih, Sedangkan titanium akan mengadopsi manufaktur aditif dan novel β-alloys untuk menurunkan biaya.

Akhirnya, Memilih di antara mereka membutuhkan persyaratan kinerja menyeimbangkan, kendala anggaran, dan tujuan keberlanjutan.

 

FAQ

Yang lebih ringan, aluminium atau titanium?

Aluminium beratnya 2.70 g/cm³, saat titanium adalah 4.51 g/cm³. Dengan demikian aluminium menawarkan keunggulan berat yang signifikan dalam aplikasi di mana pengurangan massa sangat penting.

Logam mana yang lebih kuat?

Dalam paduan struktural yang khas, TI-6AL-4V (Nilai 5 titanium) mencapai kekuatan tarik utama di dekat 900 MPa, sedangkan paduan aluminium berkekuatan tinggi seperti 7075-T6 Top di sekitar 570 MPa.

Apa yang lebih baik, aluminium atau titanium?

• Aluminium menang dengan berat rendah, Konduktivitas termal/listrik yang tinggi, kemudahan pemesinan dan pengelasan,
  dan biaya rendah-ideal untuk volume tinggi, aplikasi suhu sedang (misalnya. badan otomotif, Penukar panas).
• titanium unggul dalam kekuatan tinggi, tahan kelelahan, dan peran tahan korosi, terutama pada suhu tinggi (hingga 400–600 ° C),
  menjadikannya bahan pilihan untuk komponen mesin aerospace, peralatan pemrosesan kimia, dan implan biomedis.

Adalah titanium atau aluminium lebih mahal?

Titanium harganya lebih signifikan:

• Bahan mentah: Aluminium beroperasi sekitar $ 2– $ 3 per kg, sedangkan titanium dijual dengan harga sekitar $ 15– $ 30 per kg.
• Pengolahan: Kebutuhan titanium untuk peleburan vakum, penempaan khusus, dan pengelasan gas inert lebih lanjut meningkatkan total biaya bagiannya-seringkali 5–10 × bahwa komponen aluminium yang sebanding.

Apakah goresan aluminium lebih mudah dari titanium?

Ya. Paduan Titanium (MISALNYA., TI-6AL-4V) biasanya mendaftar 330 HB pada skala kekerasan Brinell, Sedangkan paduan aluminium umum (6061-T6, 7075-T6) jatuh di antara 95–150 HB.

Kekerasan Titanium yang lebih tinggi dan ketahanan aus rata -rata permukaan aluminium akan menggaruk atau lebih mudah di bawah kondisi kontak yang sama.