알루미늄 대. 티탄: 어떤 경량 금속이이기는 metal

1. 소개

알루미늄 대. 티타늄은 가장 중요한 엔지니어링 금속 중 하나입니다, 각각의 특정 응용 프로그램에서 우수합니다.

알루미늄의 저밀도와 우수한 전도도는 항공기 동체에서 유비쿼터스입니다., 자동차 프레임, 열교환 기.

티타늄의 우수한 강점, 피로 저항, 생체 적합성은 제트 엔진 부품에 적합합니다, 의료 임플란트, 및 화학 처리 장비.

이 금속을 기계적으로 비교함으로써, 열의, 화학적인, 간결한, 및 환경 차원, 엔지니어는 애플리케이션을 요구하는 최적의 자료를 선택할 수 있습니다.

2. 화학 성분 및 분류

• 알류미늄 (알, 원자 번호 13): 그룹에 속합니다 13, 얼굴 중심 입방 결정 구조를 특징으로한다.
  순수한 알루미늄 (99.9%+) 부드럽습니다, 그러나 구리와 같은 요소와 합금 (Cu), 마그네슘 (Mg), 또는 실리콘 (그리고) 다양한 기계적 특성을 잠금 해제합니다.
• 티탄 (의, 원자 번호 22): 그룹 4 육각형 근접 포장으로 전이 금속 (에이) 또는 신체 중심 입방 (비) 구조.
  순수한 티타늄 (1-4 학년) 연성입니다, TI-6AL-4V와 같은 합금 (등급 5) 알루미늄을 결합하십시오 (알) 그리고 바나듐 (다섯) 우수한 힘을 위해.

주요 합금 패밀리

3. 알루미늄 대 물리적 특성. 티탄

4. 알루미늄 대 기계적 성능. 티탄

기계적 성능은 재료가 부하에서 어떻게 반응하는지 결정합니다, 영향, 그리고 주기적 스트레스.

이 섹션에서, 우리는 인장 강도를 비교합니다, 단단함, 연성, 경도, 피로, 및 대표 알루미늄 대에 대한 크리프 저항. 티타늄 합금.

인장 강도 및 항복 강도

알루미늄 합금은 일반적으로 적당한 강도를 제공합니다. 예를 들어, 6061-T6은 인장 강도를 달성합니다 (uts) 대략 310 MPA 그리고 항복 강도 (0.2 % 오프셋) ~의 275 MPA.

대조적으로, TI-6AL-4V (등급 5) uts 근처에 있습니다 900 MPA 주변의 항복 강도 830 MPA.

7075-T6과 같은 고강도 알루미늄 변형조차도 (uts ≈ 570 MPA) 티타늄의 최고 성능과 일치 할 수 없습니다.

탄성 계수와 강성

단단함, 탄성 계수로 정의됩니다 (이자형), 부하 하의 처짐을 제어합니다.

알루미늄 모듈러스 (~ 69 GPA) 비교적 유연하게 만듭니다, 진동 댐핑에 도움이 될 수 있지만 구조적 강성을 제한합니다.

티탄, E ≈로 110 GPA, 처짐을 대략적으로 줄입니다 60 % 비슷한 하중, 스트레스가 많은 응용 프로그램에서 더 가벼운 디자인을 활성화합니다.

연성과 경도

알루미늄은 연성 (6061-t6 길쭉)가 뛰어납니다 12–17 % 골절 전-자동차 구조물의 깊은 드로잉 및 충돌 영역 에너지 흡수 분리.

TI-6AL-4V 지원 10–15 % 연장, 브리넬 경도를 달성하는 동안 330 HB 비교 95 HB 6061-T6의 경우.

Titanium의 우수성과 경도가 높은 조합은 피로의 비판적 구성 요소에서의 사용을 뒷받침합니다..

피로의 힘

피로 수명은 주기적 하중에서 구성 요소의 내구성을 결정합니다.

6061-T6 알루미늄은 주변에 지구력 한계를 나타냅니다 95–105 MPa (r = –1), TI-6AL-4V에 도달하는 동안 400–450 MPa 세련된 표본에서.

티타늄의 피로 강도가 현저히 높을수록 회전 기계에서의 유병률을 설명합니다., 기체 피팅, 생물 의학 임플란트는 수백만 개의 하중주기를 겪습니다.

크리프 저항

크리프 - 높은 온도에서 지속적인 응력 하에서 점진적인 변형 - 위의 알루미늄 합금의 베인 150 ° C, 장기 고온 서비스에 부적합하게 만듭니다.

대조적으로, TI-6AL-4V는 스트레스를 견딜 수 있습니다 400–600 ° C 수천 시간에 걸쳐 무시할 수있는 크리프, 제트 엔진 구성 요소 및 열 교환기 튜브에는 필수 불가결합니다.

요약 테이블

5. 부식 저항 & 환경 안정성

수동 산화물 층: 첫 번째 방어선

알류미늄

알루미늄 형태 a 나노 스케일 al₂oale 층 (2–5 nm 두께) 공기에 노출 된 후 몇 초 안에, 금속 매트릭스에서 산소와 수분 차단.

이 영화는 자기 치유- 스크래치 또는 찰과상은 즉각적인 개혁을 유발합니다, 대기 부식에 대한 알루미늄을 매우 강하게 만듭니다.

• 기구: 크롬, 마그네슘, 또는 합금의 실리콘 (예를 들어, 6061-T6) 산화물 접착력 향상, 그러나 순수한 알루미늄 (등급 1100) Alloa theintrity에만 의존합니다.
• 제한: 필름은 클로라이드 이온에 다공성이다 (cl⁻), 이끌어냅니다 구덩이 부식 짠 환경에서.
  양극화는 층을 두껍게한다 15–25 μm, 소금 스프레이 저항력 향상 500 시간 (베어 알루미늄) 에게 1,000+ 시간 (ASTM B117), 개스킷이나 패스너의 틈새 부식에 취약하지만.

티탄

티타늄은 더 얇지 만 밀도가 높습니다 tio₂ 층 (1–3 nm), 화학적으로 불활성이고 기계적으로 강력합니다.

이 영화는 티타니늄의 극한 환경에 대한 전설적인 저항을 담당합니다.:

• 기구: Tio₂ 층은 열역학적으로 안정적입니다 600° C, 유전체 강도 30 MV/M,
  Allox를 훨씬 초과합니다 (15 MV/M). 녹은 소금에서도, 손상 후 즉시 개혁합니다.
• 우월: TI-6AL-4V 패스 5,000+ 시간 소금 스프레이 테스트에서 (양극화 된 알루미늄보다 5 배) 구덩이 또는 규모 형성없이,
  장기 해수 침수에 적합한 유일한 코팅 금속.

해양 및 염화물 환경

해수에서, 알루미늄 합금 (특히 5xxx 및 6xxx 시리즈) 일단 클로라이드 농도가 양극 또는 유기 코팅을받지 않는 한 수백 ppm을 초과하면 구덩이 부식을 겪습니다..

티타늄은 여기에서 탁월합니다: 등급 2 TI-6AL-4V는 전체 강도 해수에서 구덩이가 없다, Tio remark의 놀라운 안정성 덕분에.

이 장점은 티타늄이 담수화 식물에 대한 선택의 재료로 만듭니다., 해양 하드웨어, 및 해저 커넥터.

산성 및 알칼리성 배지

알루미늄은 강산에 용해됩니다 (ph < 4) 그리고 강한 기지 (ph > 9) 특별히 치료하지 않는 한.

예를 들어, 6061-T6은 가벼운 산성 빗물을 견뎌내지만 농축 황 또는 수산화 나트륨 용액에서 빠르게 분해됩니다..

거꾸로, 티타늄은 두 가지 강산에 직면합니다 (예를 들어, HCL, hoso₂) 및 주변 온도에서의 알칼리성 용액, 산화제가 존재하지 않는 경우.

갈바니 부식 고려 사항

알루미늄이 더 고귀한 금속에 접촉 할 때 (티타늄 또는 스테인레스 스틸과 같은) 전해질에서, 양극 파트너 역할을하며 우선적으로 부식됩니다.

디자이너는 플라스틱을 사용하여 다른 금속 조인트를 단열해야합니다, 실란트, 또는 장벽 코팅 - 알루미늄 성분에 대한 빠른 갈바니 공격을 방지하기 위해.

장기 안정성 및 표면 처리

수년에 걸쳐 서비스, 알루미늄의 산화물 필름은 얇게 남아 있지만 현지 공격을 겪을 수 있습니다; 주기적으로 재고 또는 재 시고화는 보호를 유지하는 데 도움이됩니다.

티타늄의 산화물 층은 무기한 안정 상태로 유지됩니다, 주기적 온도에서도 550 ° C, 스콜 션 위험이 최소화됩니다.

극한 환경의 경우, 폐기물 소각로 또는 공격적인 화학 반응기와 같은,

엔지니어는 종종 추가 레이어를 적용합니다 (예를 들어, 알루미늄의 중합체 페인트, 티타늄의 세라믹 열 스프레이) 침식 및 화학적 노출에 대한 추가 장벽을 제공합니다..

6. 제조 및 가공성: 복잡성과 접근성 대조

알루미늄 대의 제조 및 가공성. 티타늄은 크게 분기됩니다, 그들의 물리적 특성과 합금 화학에 의해 구동됩니다.

알루미늄의 낮은 융점과 가단성은 비용 효율성을 가능하게합니다, 대량 생산,

티타늄의 고온 탄력성과 반응성은 전문 기술을 요구합니다, 제조 복잡성과 최종 사용 생존력에 영향을 미칩니다.

캐스팅과 단조: 확장 성 대. 전문화

알류미늄: 대량 생산의 챔피언

• 캐스팅 지배: 녹는 점으로 660° C- 일반적인 엔지니어링 금속 중에서 가장 낮은 것 - 알루미늄은 뛰어납니다 모래 주조, 다이 캐스팅, 그리고 투자 캐스팅.
  다이 캐스팅, 특히, 복잡한 형상을 달성합니다 (벽 두께는 얇습니다 0.8 mm) 속도로 100 사이클/시간, 자동차 엔진 블록에 이상적입니다 (예를 들어, A356 알루미늄, 비용: $2–5/kg).
• 단조 효율성: 뜨거운 단조 400–500 ° C 항공기 날개 갈비와 같은 고강도 구성 요소를 생성합니다 (7075-T6), 생명이 초과됩니다 10,000 사이클 도구 마모가 낮기 때문에.
  차가운 단조는 표면 마감을 더욱 향상시킵니다 (Ra ≤0.8 μm) 스마트 폰 프레임과 같은 소비재의 경우.

티탄: 고순도를위한 특수, 스트레스가 많은 부품

• 캐스팅 도전: 티타늄 1,668° C 용융점 필요합니다 진공 주조 산소/질소 오염을 방지합니다, 금속을 포용 할 것입니다.
  이것은 장비 비용을 증가시킵니다 300% 알루미늄에 비해, 곰팡이 수명이 제한되어 있습니다 1,000–5,000 사이클 (예를 들어, TI-6AL-4V 터빈 케이스, 비용: $30–100/kg).
• 단조 요구 사항: 뜨거운 단조 900–1,000 ° C 제어 된 대기에서 항공기 랜딩 기어와 같은 고강도 구성 요소 형성,
  그러나 툴링 비용은입니다 10x 더 높습니다 알루미늄보다, 재료 수율이 떨어집니다 60–70% 높은 변형 저항으로 인해.

용접 및 가공: 기술과 트레이드 오프

용접: 정밀 대. 보호

• 알루미늄 용접:

• • 행동 양식: 나 (간이) 그리고 Tig (gtaw) 표준입니다, 필러 금속을 사용하여 4043 (Al-Si) 또는 5356 (Al-Mg).
    용접 속도는 도달합니다 1–2 m/me, 그러나 다공성 위험 (용해 된 수소에서) 깨끗한 표면과 예열이 필요합니다 (100두꺼운 섹션의 경우 –150 ° C).
  • 비용: $50시간당 –100, weld 후 열처리 (7075-T6의 경우) 첨가 15–20% 처리 시간에.

• 티타늄 용접:

• • 행동 양식: 순수한 아르곤 또는 전자 빔 용접 하의 TIG 용접은 진공 상태에서 β- 상 안정화 산소에서 (연성을 줄입니다).
    용접 속도입니다 30% 느리게 알루미늄보다, 및 필러 금속 (예를 들어, TI-6AL-4V 와이어, $50/kg) 5 배 더 비쌉니다.
  • 비용: $200시간당 –300, 엄격한 품질 관리로 (예를 들어, X- 선 검사 100% 항공 우주 용접).

가공: 속도 대. 열 관리

• 알루미늄 가공 가능성:

• • 장점: 높은 열전도율 (205 w/m · k) 열을 효율적으로 소산합니다, 고속 가공을 허용합니다 HSS 도구 ~에 200–300 m/i (절단 속도).
    낮은 표면 거칠기 라 0.4 μm 탄화물 엔드 밀로 달성 할 수 있습니다, 방열판과 같은 정밀 부품에 이상적입니다.
  • 도구 수명: 최소한의 작업 경화는 도구 교체를 의미합니다 5–8 시간 연속 작동 중, 티타늄의 1-2 시간보다 현저히 낮습니다.

• 티타늄 가공 가능성:

• • 도전: 낮은 열전도율 (16 w/m · k) 도구 공작 인터페이스에서 열을 가열합니다, 도구 마모 증가 50%.
    가공 속도가 제한됩니다 50–80 m/me, 그리고 만 탄화물 또는 세라믹 도구 (비용: $100+/끼워 넣다) 높은 절단력을 견딜 수 있습니다 (20% 알루미늄보다 높습니다).
  • 냉각수가 필요합니다: 고압 냉각수 (80–100 바) 내장 가장자리를 방지해야합니다, 가공 시간 증가 30% 및 유체 소비 40%.

표면 처리: 기능과 형태를 향상시킵니다

알루미늄 표면 처리

• 양극화: 비용 효율적인 프로세스 ($10–20/m²) 그것은 다공성 al ao₃ 층으로 자랍니다 (5–25 μm), 부식성 향상 (소금 스프레이 저항: 1,000+ 시간) 생생한 색상을 활성화합니다.
  건축 프로파일 (6063-T6) 내구성과 미적 매력을 위해 일반적으로 황산 양극을 사용하십시오..
• 분말 코팅: 180-200 ° C에서 적용, UV 방지 마감 처리를 제공합니다 (5–10 년 보증) 알루미늄 울타리와 같은 실외 부품의 경우, 접착력 강도를 초과합니다 5 n/mm.

티타늄 표면 처리

• 혈장 질화: 표면 경도를 향상시킵니다 1,000–1,500 HV (대. 350 Machined Ti-6AL-4V에 대한 HV), 해양 응용 분야의 기어 샤프트와 같은 내마모성 부품에 중요합니다..
  비용: $50–100/m², 그러나 수명은 증가합니다 2엑스 연마 환경에서.
• 물리적 증기 증착 (PVD): 예금 DLC (다이아몬드와 같은 탄소) 또는 주석 코팅 (5–10 μm) 마찰을 줄입니다 (계수 ≤0.2),
  생체 적합성 및 내마모성을 향상시키기 위해 티타늄 의료 임플란트에 사용.

7. 중량 대 강도 비율 및 구조 응용

항공 우주 지배

• 알류미늄: 기체 중량의 70-80%를 제어합니다 (예를 들어, 보잉 737), 비용과 형성성으로 인해 동체 피부에 사용되는 2024-T3의.
  제한: 150 ° C 이상의 부드러운, 엔진 부품에 티타늄이 필요합니다 (예를 들어, 에어 버스 A350 터빈의 TI-6AL-4V, 500 ° C에서 작동합니다).
• 티탄: 계정 15현대 제트 중량의 –20% (보잉 787), 뻣뻣함과 피로 저항력으로 날개와 랜딩 기어에 이상, 존재에도 불구하고 60% 알루미늄보다 무겁습니다.

자동차 트레이드 오프

• 알류미늄: EV 배터리 인클로저를 지배합니다 (테슬라 모델 y, 40% 체중 절약 대. 강철) 그리고 바디 패널 (아우디 A8, 40% 강철보다 가볍습니다), 비용에 의해 구동됩니다 ($20/형성된 부품의 경우 kg).
• 티탄: 배기 시스템과 같은 고성능 부품에 틈새 사용 (50% 스테인레스 스틸보다 가볍습니다, 그러나 $ 1,000+/kg), 비용으로 제한되었지만 고급 차량의 부식 저항으로 가치가 있습니다..

8. 비용 및 경제적 고려 사항

원료 및 처리 비용

• 알류미늄: 1 차 비용: $2–3/kg; 재활용: $1–2/kg (호주에서 풍부한 보크 사이트 매장량, 중국).
• 티탄: 스폰지 티타늄: $30–60/kg; 합금 막대: $100–200/kg (희귀 양속/일 메 나이트 광석에 의존합니다, 90% 호주와 남아프리카에서 공급됩니다).

생명주기 경제학

• 유지: 알루미늄은 주기적 코팅이 필요합니다 (예를 들어, 모든 양극화 10 연령, $50/m²), 티타늄의 수동 영화는 유지를 줄입니다 70% 가혹한 환경에서.
• 재활용: 알루미늄은 90% 재활용 속도, 절약 95% 에너지 대. 1 차 생산; 티타늄 재활용 50–70%, 합금 오염으로 제한되지만 여전히 절약 85% 에너지.

9. 알루미늄과 적용. 티탄

항공 우주

• 알류미늄 날개 스킨과 같은 큰 구조적 구성 요소를 지배합니다, 동체 패널, 그리고 바닥 빔.
  저밀도와 탁월한 형성성은 제조업체가 빛을 만들 수 있도록합니다., 상업용 항공기에 사용되는 복잡한 압출 및 리벳 어셈블리 (예를 들어, 2024-T3 및 6061-T6 합금).
• 티탄 고온 및 고 부사 환경에서 자리를 찾습니다 - 엔진 팬 블레이드, 압축기 디스크, 및 배기 부품.
  TI-6AL-4V의 우수한 피로 수명 및 부식 저항성 터빈 섹션은 온도를 견딜 수 있습니다. 600 ° C, 알루미늄 합금이 부드러워지는 곳.

자동차

• 알류미늄 엔진 블록에 크게 특징이 있습니다, 실린더 헤드, 바퀴, 현대 자동차의 바디 패널, 차량 질량 감소만큼 100 알루미늄 집약적 인 디자인의 kg.
  전기 자동차에서, 배터리 하우징 및 열 교환기에서의 사용은 확장 범위에 직접 기여합니다..
• 티탄, 비용이 많이 드는 동안, 고성능 및 경주 용 자동차를위한 성능 배기 시스템 및 밸브 스프링에 나타납니다..
  커넥팅로드 및 패스너에 사용되는 사용은 과도한 체중 페널티없이 강도와 내열을 제공합니다..

의료 및 생물 의학

• 알류미늄 생체 적합성이 중요하지 않은 진단 장비 및 병원 가구의 경량 프레임을 만듭니다..
• 티탄 임플란트와 무릎 교체에 대해 타의 추종을 불허합니다, 치과 비품, 그리고 척추 막대 - Tio₂ 필름이 신체 유체 부식을 방해하고 osseointegration을 장려하기 때문입니다..
  등급 5 TI-6AL-4V 임플란트는 일상적으로 생체 내에서 수십 년 동안 지속됩니다.

해양과 해외

• 알류미늄 합금 (5XXX 시리즈) 상부 구조에서 봉사하십시오, 고속 공예의 선체, 해양 안테나 마스트.
  낮은 무게는 부력과 연료 효율을 향상시킵니다, 비록 바닷물 구덩이에 대한 보호 코팅이 필요하지만.
• 티탄 해수 배관에서 탁월합니다, 열 교환 튜브, 그리고 수중 주택, 염화물 유발 부식은 알루미늄 또는 강철을 빠르게 분해 할 것입니다.
  담수화 공장 및 해저 우물에서의 장기 서비스는 프리미엄 재료 비용을 정당화합니다..

스포츠 및 레크리에이션

• 알류미늄 자전거 프레임에 대한 선택의 재료로 남아 있습니다, 테니스 라켓, 캠핑 장비-유리한 강도 대 무게 비율로 경제성을 고려합니다.
• 티탄 고급 장비를 수용합니다: 골프 클럽 헤드, 프리미엄 자전거 포크, 안경 프레임.
  이 응용 프로그램에서, 사용자는 티타늄의 스프링 피로 반응을 소중히 여깁니다, 부식 면역, 그리고 독특한“느낌”.

에너지와 산업

• 알류미늄 열 엑스 체인지 핀에서 수행됩니다, 변압기 권선, 오버 헤드 전송 라인, 높은 열 및 전기 전도도가 효율성을 유발하는 곳.
• 티탄 화학 처리 용기에서 제공됩니다, 연도 가스 탈황 단위, 및 집중 식극 수신기, 산 공격에 대한 저항력을 활용하고 열 순환까지 600 ° C.

10. 장점 및 단점 요약

알류미늄

• 장점: 낮은 무게, 높은 전도도, 비용 효율적입니다, 쉽게 재활용됩니다, 탁월한 형성성.
• 단점: 제한된 고온 강도, 적당한 부식 저항, 갈바니 문제.

티탄

• 장점: 강도가 높은 강도, 뛰어난 부식 저항, 고온 성능, 생체 적합성.
• 단점: 높은 비용, 어려운 제조, 낮은 전도도, 더 복잡한 재활용.

11. 알루미늄 대 요약 비교 표. 티탄

12. 결론

알루미늄 대. 티타늄은 엔지니어링에서 보완적인 역할을 수행합니다: 알루미늄은 비용 효율적인 것을 제공합니다, 대용량 응용 분야의 가벼운 성능, 티타늄은 까다로운 환경에 대한 탁월한 강도와 부식 저항을 제공합니다..

앞으로, 알루미늄의 초점은 녹색 생산 및 고급 복합재로 이동합니다., 티타니늄은 비용 절감을 위해 첨가제 제조 및 새로운 β- 합금을 채택 할 것입니다..

궁극적으로, 그들 사이에서 선택하려면 성능 균형 요구 사항이 필요합니다, 예산 제약, 지속 가능성 목표.

 

FAQ

더 가볍습니다, 알루미늄 또는 티타늄?

알루미늄의 무게는 거의 없습니다 2.70 g/cm³, 티타늄은입니다 4.51 g/cm³. 따라서 알루미늄은 질량 감소가 중요한 응용 분야에서 상당한 중량 이점을 제공합니다..

어느 금속이 더 강한 지?

전형적인 구조 합금에서, TI-6AL-4V (등급 5 티탄) 근처에서 궁극적 인 인장 강도를 달성합니다 900 MPA, 고강도 알루미늄 합금과 같은 반면 7075-T6 위에 570 MPA.

더 나은 것, 알루미늄 또는 티타늄?

• 알류미늄 낮은 무게로 승리합니다, 높은 열/전기 전도도, 가공 및 용접의 용이성,
  저렴한 비용-대량의 경우, 보통 온도 응용 (예를 들어. 자동차 기관, 열교환 기).
• 티탄 강도가 높아집니다, 피로 내성, 부식 방지 역할, 특히 고온에서 (최대 400–600 ° C),
  항공 우주 엔진 구성 요소에 선택되는 재료로, 화학 처리 장비, 생물 의학 임플란트.

티타늄 또는 알루미늄이 더 비쌉니다?

티타늄 비용은 훨씬 더 많습니다:

• 원료: 알루미늄은 kg 당 약 $ 2- $ 3를 실행합니다, 티타늄은 kg 당 약 $ 15- $ 30에 판매됩니다.
• 처리: 진공 용융에 대한 티타늄의 필요성, 전문화 된 단조, 그리고 Inert-gas 용접은 총 부품 비용을 더 증가시킵니다 5–10 × 비슷한 알루미늄 성분의 것.

알루미늄 스크래치는 티타늄보다 쉽습니다?

예. 티타늄 합금 (예를 들어, TI-6AL-4V) 일반적으로 등록하십시오 330 HB 브리넬 경도 척도에서, 일반적인 알루미늄 합금 (6061-T6, 7075-T6) 가까지 95–150 HB.

티타늄의 경도가 높고 내마모성은 알루미늄 표면이 비슷한 접촉 조건에서 더 쉽게 긁히거나 찌그러지게됩니다..