Алуминијум вс. Титанијум: Који лагани метал победи?

1. Увођење

Алуминијум вс. Титанијум ранг међу најважнијих инжењерских метала, Свака одлична у одређеним апликацијама.

Ниска густина алуминијума и одлична проводљивост чине је свеприсутно у ваздухопловним трупама, Аутомобилски оквири, и измењивачи топлоте.

Супериорна снага титанија, отпорност на умор, и биокомпатибилност одговара компанији Јет-мотор, Медицински имплантати, и хемијска опрема за прераду.

Упоређујући ове метале широм механичке, термички, хемијски, економски, и димензије заштите животне средине, Инжењери могу одабрати оптимални материјал за захтевне апликације.

2. Хемијски састав и класификација

• Алуминијум (Алтер, Атомски број 13): Припада групи 13, коју карактерише кубична кристална структура усмерена на лице.
  Чисти алуминијум (99.9%+) је мекан, Али легирање са елементима попут бакра (Цу), магнезијум (Мг), или силицијум (И) Откључавање различитих механичких својстава.
• Титанијум (Од, Атомски број 22): Група 4 прелазни метал са шестерокутним затварачем (а) или кубични у боди (б) структура.
  Чисто титанијум (1. разред) је дуктилан, Док легуре попут ТИ-6АЛ-4В (Разреда 5) комбиновати алуминијум (Алтер) и ванадијум (У) за супериорну снагу.

Кључне породице за легуре

3. Физичка својства алуминијума ВС. Титанијум

4. Механичке перформансе алуминијума ВС. Титанијум

Механичке перформансе одређују како материјали реагују под оптерећењем, утицај, и циклични стрес.

У овом одељку, Спремамо затезну чврстоћу, укоченост, дуктилност, тврдоћа, умор, и отпорност на пузање за репрезентативни алуминијум вс. легуре титанијума.

Затезна чврстоћа и снага приноса

Легури алуминијума обично нуде умерену снагу. На пример, 6061-Т6 постиже затезну чврстоћу (Утс) приближно 310 МПА и снага приноса (0.2 % зборник) од 275 МПА.

Супротно, ТИ-6АЛ-4В (Разреда 5) испоручује утс у близини 900 МПА са чврстоћом приноса около 830 МПА.

Чак и алуминијумске варијанте високе чврстоће попут 7075-Т6 (Утс ≈ 570 МПА) не могу да одговарају вршним перформансама титанијума.

Еластични модул и крутост

Укоченост, дефинисано еластичним модулом (Е), управља отклоном под оптерећењем.

Алуминијумски модул (~ 69 ГПА) чини га релативно флексибилним, који могу имати користи од пригушења вибрација, али ограничава структурну чврстину.

Титанијум, са е ≈ 110 ГПА, смањује отпуштање отприлике 60 % Под упоредивим оптерећењима, Омогућавање лакших дизајна у апликацијама са високим стресом.

Дуктилност и тврдоћа

Алуминијумски одличи у дуктиплози-6061-Т6 издужени 12-17 % Пре него што је прелом олакшавајући дубоко умањење у облику цртања и судара у аутомобилске структуре.

ТИ-6АЛ-4В носачи 10-15 % издужење, Док је постигао бринелл тврдоћу 330 Хб у поређењу са 95 Хб за 6061-Т6.

Титаниум-ова комбинација добре дуктилности и велике тврдоће поднела је њену употребу у прекрижним компонентама.

Снага умор

Живот умор одређује издржљивост компоненте под цикличним оптерећењем.

6061-Алуминијум Т6 показује ограничење издржљивости около 95-105 МПА (Р = -1), док ТИ-6АЛ-4В досеже 400-450 МПА У полираним узоракма.

Значајно висока снага умора титанијум објашњава своју преваленцију у ротирајућој машини, Опрема за ваздухоплове, и биомедицински имплантати подложни милионима циклуса оптерећења.

Отпорност на пузање

Пузање прогресивне деформације под тражимним стресом на повишеној температури почиње у алуминијумским легурима изнад 150 ° Ц, чинећи их неприкладним за дугорочну услугу високог температуре.

У супротности, ТИ-6АЛ-4В издржава наглашава до 400-600 ° Ц са занемарљивим пузањем преко хиљада сати, што га чини неопходним за компоненте Јет-мотора и цеви за топлоте.

Резиме табела

5. Отпорност на корозију & Стабилност животне средине

Пасивни оксидни слојеви: Први ред одбране

Алуминијум

Алуминијум формира а Наносцале АЛ³о₃ слој (2-5 нм дебљине) у року од неколико секунди изложености ваздуху, Блокирање кисеоника и влаге из металне матрице.

Овај филм је самоизлеђивање-Скраће или огреботине покрећу тренутну реформацију, прављење алуминијума високо отпорно на атмосферску корозију.

• Механизам: Хром, магнезијум, или силицијум у легурама (Нпр., 6061-Т6) Повећајте адхезију оксида, али чисти алуминијум (Разреда 1100) ослања се искључиво на интегритет ал₂ои.
• Ограничења: Филм је порозан за хлоридне јоне (ЦЛ⁻), довести до Питтинг Цорросион У сланим окружењима.
  Анодизација је задебљана слој на 15-25 μм, Појачавајући отпорност на распршивање соли 500 сати (голи алуминијум) до 1,000+ сати (АСТМ Б117), Иако остаје рањиво на кровозу Цревице под заптивачима или причвршћивачима.

Титанијум

Титанијум развија још разређивача, али гушће Тиои слој (1-3 нм), који је хемијски инертна и механички робусна.

Овај филм је одговоран за легендарна отпорност на титанијум на екстремне окружења:

• Механизам: Тиои слој је термодинамички стабилан до 600° Ц, са диелектричном снагом 30 МВ / М,
  далеко већи од алоо₃ (15 МВ / М). Чак и у расталним сомама, То је одмах реформисано након оштећења.
• Супериорност: ТИ-6АЛ-4В пролази 5,000+ сати у тестовима за распршивање соли - пет пута дуже од анодизираног алуминијума - без формирања или формирања скале,
  што га чини јединим нерешеним металом погодним за дугорочно урањање морске воде.

Поморска и хлоридна окружења

У морској води, Алуминијумске легуре (Посебно серија 5КСКСКС и 6КСКСКС) пати на корозију која се пати након што концентрација хлорида прелази неколико стотина ппм, осим ако не добију анодичне или органске премазе.

ТИАТАНИУМ ТХЕЛИМЕ ОВДЈЕ: Разреда 2 и ТИ-6АЛ-4В остају без питтинг-а у морској води са пуном снагом, Захваљујући Тиоивој невероватној стабилности.

Ова предност чини титанијумски материјал избора за постројења за десалинацију, марински хардвер, и подземни конектори.

Кисели и алкални медији

Алуминијум се раствара у јаким киселинама (пХ < 4) и јаке базе (пХ > 9) Осим ако се посебно третира.

На пример, 6061-Т6 издржи благу киселу кишну воду, али брзо деградира у концентрираном сумпорном или натријум хидроксидним решењима.

Обрнуто, титанијум се залаже и до јака киселине (Нпр., ХЦл, Хонсо₄) и алкална решења на собној температури, под условом да нису присутни оксидациони агенси.

Галванске разматрања корозије

Кад алуминијум контактира племенитог метала (као што су титан или нехрђајући челик) у електролиту, служи као анодни партнер и преференцијално кородира.

Дизајнери морају изолирати разликујуће игрице од металне зглобове који користе пластику, заптивне масе, или превлаке за преграде - да се спречи брзи галвански напад на алуминијумске компоненте.

Дугорочна стабилност и површински третмани

Прекогодишњим годинама, Алуминијумски оксидни филм остаје танки, али може претрпети локализоване нападе; Периодично повлачење или поновно енодизирање помаже у одржавању заштите.

Титанијумски слој оксида остаје стабилан у недоглед, чак и под цикличним температурама 550 ° Ц, са минималним ризиком од распада.

За екстремно окружење, као што су спалионици отпада или агресивни хемијски реактори,

Инжењери често примењују додатне слојеве (Нпр., Полимерне боје на алуминијуму, Керамички топлотни спрејеви на титанијуму) да достави додатну баријеру против ерозије и хемијске изложености.

6. Израда и израда и израда: Контрастна сложеност и приступачност

Израда и обрада алуминијума ВС. титанијум значајно се разликује, вођени њиховим физичким својствима и легурама.

Ниска тачка топљења алуминијума и мерење омогућавају економично, Производња високог обима,

Иако је титанијум-оми са високим температурама и реактивно захтевање реактивности специјализованих техника, УТИЦАЈТЕ И ПРОИЗВОДНУ СМЕРСНОСТИ И ОДРЖАВАЊЕ КРАЈА.

Ливење и ковање: Скалабилност вс. Специјализација

Алуминијум: Шампион масовне производње

• Доминација за ливење: Са тачком топљења 660° Ц- најнижа међу уобичајеним инжењерским металима-алуминијумским одликом ливење песка, ливење, и Инвестициони ливење.
  Ливење, нарочито, постиже замршене геометрије (дебљине зида танке као 0.8 мм) убрзава до 100 циклуси / сат, Идеално за блокове аутомобила мотора (Нпр., А356 Алуминијум, трошак: $2-5 / кг).
• Ефикасност ковања: Вруће ковање на 400-500 ° Ц производи компоненте велике снаге попут ребра авиона (7075-Т6), са већем животу који прелази 10,000 циклуси Због ниске хабања алата.
  Хладно за ковање додатно повећава површинску завршну обраду (РА ≤0.8 μм) За робу широке потрошње попут паметних телефона.

Титанијум: Специјализовано за високу чистоћу, Делови са високим стресом

• Изазови за ливење: Титаниум'с 1,668° Ц Поинта за топљење захтевати ливење вакуума Да бисте спречили контаминацију кисеоника / азота, што би умањило метал.
  Ово повећава трошкове опреме 300% у поређењу са алуминијумом, са лимитом плијесни ограничен на 1,000-5.000 циклуса (Нпр., ТИ-6АЛ-4В Кућишта турбина, трошак: $30-100 / кг).
• Ковање Захтеви: Вруће ковање на 900-1,000 ° Ц У контролисаним атмосферима обликује компоненте велике снаге попут зупчане опреме,
  Али трошкови алата су 10к више него алуминијум, и принос материјала пада на 60-70% Због високог отпора деформације.

Заваривање и обрада: Технике и компромиси

Заваривање: Прецисион вс. Заштита

• Алуминијумски заваривање:

• • Методе: MIG (Раскопер) и тиг (Гтав) су стандардни, Коришћење метала пуњења 4043 (Ал-си) или 5356 (Ал-мг).
    Досежу брзине заваривања 1-2 м / ме, Али порозне ризике (од раствореног водоника) захтевају чисте површине и загревање (100-150 ° Ц за дебеле секције).
  • Трошак: $50-100 на сат, са пост-заваривањем топлоте (за 7075-Т6) додавање 15-20% за обраду времена.

• Заваривање титанијума:

• • Методе: ТИГ заваривање под чистим аргонским или електронским снопом за заваривање у вакууму да се спречи β-фазна стабилизација од кисеоника (што смањује дуктилност).
    Брзине заваривања су 30% спорији него алуминијум, и метали за пуњење (Нпр., ТИ-6АЛ-4В жица, $50/кг) су 5к скупљи.
  • Трошак: $200-300 на сат, са строгом контролом квалитета (Нпр., Рендгенски преглед за 100% Аероспаце ВЕЛДС).

Обрада: Брзина вс. Топлотно управљање

• Алуминијска израда:

• • Предности: Висока топлотна проводљивост (205 В / м · к) Расипати топлотно ефикасно, Омогућавање машине за велике брзине са ХСС Алати у 200-300 м / и (Брзина сечења).
    Храпавост површине једнако као По 0.4 μм остварива се са климаним клијентима, Идеално за прецизне дијелове попут топлотних судопера.
  • Живот алата: Минимално очвршћавање рада значи да се замјене алата појављују свака 5-8 сати у непрекидном раду, Знатно нижи од 1-2 сата од титанијума.

• Титанијумску машинност:

• • Изазови: Ниска топлотна проводљивост (16 В / м · к) замке топлоте на интерфејсу алата, Повећање алата Носи 50%.
    Брзине обраде је ограничена на 50-80 м / ме, и само Царбиде или керамички алати (трошак: $100+/уметнути) може да издржи високе силе сечења (20% виши од алуминијума).
  • Потребно о расхладној течности: Расхладна течност високог притиска (80-100 бар) је обавезан да спречи изграђене ивице, Повећање времена обраде од стране 30% и потрошња течности од стране 40%.

Површински третман: Повећачка функција и облик

Алуминијумска површинска обрада

• Анодизирање: Економичан поступак ($10-20 / м²) која расте порозни слој алгола (5-25 μм), Побољшање отпорности на корозију (Отпорност на распршивање соли: 1,000+ сати) и омогућавање живих боја.
  Архитектонски профили (6063-Т6) Обично користите анодацију сумпорне киселине за издржљивост и естетску привлачност.
• Повдер Цоатинг: Примењено на 180-200 ° Ц, Омогућава основну обраду отпорну на УВ (5-10-годишње гаранције) За компоненте на отвореном попут алуминијумских ограда, са чврстоћом лепком 5 Н / мм.

Обрада површине титанијума

• Плазма нитринг: Побољшава тврдоћу површине 1,000-1.500 ХВ (вс. 350 ХВ за прилагођени ти-6ал-4В), Критично за дијелове отпорне на хабање попут преноса у морском апликацијама.
  Трошак: $50-100 / м², Али живот животни век повећава се 2к у абразивном окружењу.
• Физичко таложење паре (Пвд): Депозити ДЛЦ (Диамонд-Лике Царбон) или лименке (5-10 μм) Да бисте смањили трење (Коефицијент ≤0.2),
  Користи се у титанијумским медицинским имплантатима да би се побољшало биокомпатибилност и отпорност на хабање.

7. Омјер тежине и снаге и структурне примене

Аероспаце Доминанце

• Алуминијум: Контролише 70-80% тежине ваздушних оквира (Нпр., Боеинг 737), Са 2024-Т3 који се користи за коже за труле због трошкова и обликованости.
  Ограничења: Омекшава изнад 150 ° Ц, Захтева титанијума за делове мотора (Нпр., ТИ-6АЛ-4В у Аирбусу А350 турбине, Радите на 500 ° Ц).
• Титанијум: Рачуни за 15-20% модерне тежине млазнице (Боеинг 787), Својим крутошћу и отпором умор идеалан за крила и зупчаник за слетање, упркос томе што је 60% тежи од алуминијума.

Аутомобилски компромиси

• Алуминијум: Доминира на кућиштем ЕВ батерије (Тесла модел и, 40% Уштеда тежине вс. челик) и плоче за тело (Ауди А8, 40% лакши од челика), вођен трошковима ($20/кг за формиране делове).
• Титанијум: Употреба нише у компонентама високих перформанси попут издувних система (50% лакши од нерђајућег челика, Али 1000 долара + / кг), Ограничени трошковима, али цењени за отпорност на корозију у луксузним возилима.

8. Трошкови и економска разматрања

Трошкови сировина и трошкови обраде

• Алуминијум: Примарна цена: $2-3 / кг; рециклиран: $1-2 / кг (Обилне резерве боксита у Аустралији, Кина).
• Титанијум: Спужва Титаниум: $30-60 / кг; Алегатиране барове: $100-200 / кг (зависно од ретких рутилних / илменита руда, 90% Испоручено из Аустралије и Јужне Африке).

Економија животног циклуса

• Одржавање: Алуминијум захтева периодични премаз (Нпр., свакодневно 10 године, $50/м²), док титан пасивни филм смањује у завичај од 70% У оштром окружењима.
• Рециклирање: Алуминијум води са 90% Стопа рециклирања, штедљив 95% енергије вс. Примарна производња; титанијум рециклира на 50-70%, ограничено легуром загађења, али и даље уштеда 85% енергија.

9. Апликације алуминијума ВС. Титанијум

Ваздухопловство

• Алуминијум Доминира велике структурне компоненте као што су крила кожа, Плоче за трупе, и подне греде.
  Његова ниска густина и одлична формалност омогућавају произвођачима да креирају светлост, Сложене екструзије и скупове за ракете које се користе у комерцијалним авионима (Нпр., 2024-Т3 и 6061-Т6 легуре).
• Титанијум Проналази своје место на високотемтем и високо-стресним окружењима мотора-мотора, Компресорски дискови, и испушни компоненте.
  Врхунски умор титиор-4В-4В-а и отпорност на корозију омогућавају да турбина одсеци да издрже температуре до 600 ° Ц, где би легуре алуминијума омекшале.

Аутомотиве

• Алуминијум има снажно у блоковима мотора, Главе цилиндра, точкови, и каросерије модерних аутомобила, Смањивање масе возила колико 100 кг у алуминијумским интензивним дизајну.
  У електричним возилима, Његова употреба у кућиштима за батерију и измењивачи топлоте доприноси директно проширеном распону.
• Титанијум, док је цогралиер, појављује се у перформансама издувних гасова и извора вентила за високо перформансе и тркачке аутомобиле.
  Његова употреба у повезивању шипка и причвршћивача пружа отпорност на снагу и топлоте без превелике казнене тежине.

Медицински и биомедицински

• Алуминијум чини лагане оквире за дијагностичку опрему и болнички намештај у којем биокомпатибилност није критична.
• Титанијум стоји без премца за имплантати-кук и замене колена, Стоматолошке чвора, и кичмеде шипке - јер њен тиои филм спречава корозију телесне течности и подстиче ОССсеинтеграцију.
  Разреда 5 ТИ-6АЛ-4В имплантати рутински последњи деценији ин виво.

Маринац и батина

• Алуминијум легуре (5КСКСКС серија) служити у надградње, Трупови заната велике брзине, и поморски антенски јарболи.
  Њихова ниска тежина побољшава се награду и ефикасност горива, Иако су потребни заштитни премази против слане воде.
• Титанијум одликује се цевоводима морске воде, Туристичке измењивачке цеви, и потопни кућишта, где би корозија изазвана хлоридом брзо деградира алуминијум или челик.
  Његова дугорочна услуга у десалинизацијским биљкама и претњским бунарима оправдава трошкове премиум материјала.

Спорт и рекреација

• Алуминијум остаје материјал избора за оквире за бицикле, Тениски рекети, и у камповању приступачности преноса са повољном односом снаге и тежине.
• Титанијум Каријере до врхунске опреме: Главе голф-клуба, Премиум бициклистичке виљушке, и оквири наочара.
  У овим апликацијама, Корисници вреднију од одговора за пролећни умор титанијум-а, Имунитет корозије, и препознатљив "осећај".

Енергија и индустријска

• Алуминијум наступа у пераје за топлоте, Трансформер намотавање, и надземне далековода, где је висока топлотна и електрична проводљивост погонила ефикасност.
• Титанијум служи у хемијским пловилима, Јединице за искључивање димних гаса, и концентрисани соларни пријемници, искористити његов отпор на кисело напад и топлотници која се повећава до 600 ° Ц.

10. Предности и недостаци Резиме

Алуминијум

• Предности: Ниска тежина, Висока проводљивост, економичан, лако рециклирати, Одлична формалност.
• Недостатак: Ограничена чврстоћа високог температуре, Умерено отпорност на корозију, Галванска питања.

Титанијум

• Предности: Висока чврстоћа на тежини, Изузетна отпорност на корозију, перформансе високог температуре, биокомпатибилност.
• Недостатак: Висока цена, Тешка израда, нижа проводљивост, сложеније рециклирање.

11. Сажетак упоређивања Табела алуминијума ВС. Титанијум

12. Закључак

Алуминијум вс. Титанијум заузима комплементарне улоге у инжењерингу: Алуминијум нуди исплативу, Лагане перформансе за апликације са високим количинама, Док титанијум пружа изузетну чврстоћу и отпорност на корозију за захтевна окружења.

Иде напред, Алуминијумски фокус ће се пребацити на зеленије производње и напредне композити, Будући да ће титанијум усвојити додатну производњу и нове β-легуре нижим трошковима.

На крају, Одабир између њих захтева услове за уравнотежење перформанси, Ограничења буџета, и циљеви одрживости.

 

Често постављана питања

Који је лакши, Алуминијум или титанијум?

Алуминијум тежи око 2.70 Г / цм³, док је титанијум 4.51 Г / цм³. Тако алуминијум нуди значајну предности тежине у апликацијама где је смањење масе критично.

Који метал је јачи?

У типичним структуралним легурама, ТИ-6АЛ-4В (Разреда 5 титанијум) постиже врхунске затезне снаге у близини 900 МПА, будући да легуре од алуминијума велике чврстоће попут 7075-Т6 опустити се около 570 МПА.

Шта је боље, Алуминијум или титанијум?

• Алуминијум побјеђује за малу тежину, Висока топлотна / електрична проводљивост, Једноставност обраде и заваривања,
  и ниски трошкови идеалан за високу количину, Умерене апликације за температуру (нпр. Аутомобилска тела, Измењивачи топлоте).
• Титанијум одликује се у високој снази, отпоран на умор, и улоге отпорне на корозију, посебно на повишеним температурама (До 400-600 ° Ц),
  Учините то материјалом избора за компоненте ваздухопловних мотора, опрема за прераду хемикалије, и биомедицински имплантати.

Је титанијум или алуминијум скупљи?

Титанијум кошта знатно више:

• Сировина: Алуминијум пролази око 2 до 3 долара по кг, док титанијум продаје за отприлике 15 до 30 долара по кг.
• Прерада: Потреба титанијума за топљење вакуума, Специјализовани ковач, и заваривање инертних гасова даље повећава свој укупни део трошкова - често 5-10 × то упоредиве алуминијумске компоненте.

Да ли алуминијум огреботине лакше од титанијума?

Да. Легуре титанијума (Нпр., ТИ-6АЛ-4В) обично се региструју около 330 Хб на скали од бринелл тврдоће, будући да ће уобичајене легуре алуминијума (6061-Т6, 7075-Т6) падати између 95-150 ХБ.

Високо већа тврдоћа и отпорност на хабање значи да ће се алуминијумске површине огребати или удубљати на сличне услове контакта.