Ti3Al prášek: složení, vlastnosti, aplikace a další

Mezi hlavní vlastnosti a charakteristiky prášku Ti3Al patří:

• Vysoká pevnost při zvýšených teplotách až do 750 ¡«C
• Hustota asi o polovinu nižší než u superslitin na bázi niklu
• Vynikající odolnost proti korozi
• Nízká hustota v porovnání s jinými titanovými slitinami
• Odolnost vůči oxidaci až cca 700 °C
• Odolnost proti opotřebení
• biokompatibilita

Ti3Al má však svá omezení také, jako je špatná kujnost při pokojové teplotě, nízká pevnost v lomu a špatná svařitelnost. Pro optimalizaci vlastností ve prospěch různých aplikací je třeba správné zpracování a legovací dodatky.

Tento článek poskytuje podrobný přehled složení, vlastností, aplikací, dodavatelů, nákladů, metod testování a dalších technických podrobností týkajících se prášku Ti3Al .

Složení prášku Ti3Al

Ti3Al prášek má nominální složení 75 % titanu a 25 % hliníku podle hmotnosti. Intermetalická sloučenina hliníku a titanu vzniká mezi 50–75 % hliníku, přičemž nejběžnější verzí je Ti3Al.

Přesné složení se může lišit v závislosti na výrobní metodě. Pro zlepšení určitých vlastností jsou v malém množství často přidávány další prvky, jako je Nb, Mo, Si, B, Ta, W, C a O. Níže uvedená tabulka ukazuje typický rozsah složení:

Element	Hmotnostní %
Titan (Ti)	69 – 76%
Hliník (Al)	24 – 31%
Niob (Nb)	0 – 6%
Molybden (Mo)	0 – 4%
Křemík (Si)	0 – 2%
Bor (B)	0 – 0.5%
Tantal (Ta)	0 – 5%
Wolfram (W)	0 – 5%
Uhlík (C)	0 – 0.1%
Kyslík (O)	0 – 0.2%

Řízení obsahu kyslíku a uhlíku je rozhodující pro zamezení křehkosti a udržení tažnosti. V závislosti na použitých surovinách a postupech mohou být přítomny také jiné stopové prvky.

Vlastnosti prachu Ti3Al

Unikátní vlastnosti prášku Ti3Al vyplývají z jeho uspořádané intermetalické krystalové struktury, která obsahuje jak titanové, tak hliníkové atomy. Mezi některé pozoruhodné vlastnosti patří:

Pevnost za vysokých teplot

Ti3Al si zachovává relativně vysokou odolnost až do 750 °C, podstatně lépe než sám titan nebo hliník. To jej dělá vhodným pro aplikace při zvýšené teplotě v motorech, turbínách, ventilech atd. Tabulka níže porovnává odolnost Ti3Al s jinými slitinami titanu při různých teplotách:

Slitina	Pevnost při pokojové Teplotě (MPa)	Pevnost při 500 °C (MPa)	Hustota (g/cm3)
Ti3Al	400	260	3.9
Ti6Al4V	900	500	4.5
Ti64	900	400	4.5

Nízká hustota

Díky hustotě přibližně 3,7–4,1 g/cm³ je Ti3Al mnohem lehčí než niklové super slitiny a většina dalších slitin titanu. To pomáhá snižovat kritickou hmotnost komponent v leteckých aplikacích.

Oxidační odolnost

Ti3Al nabízí dobrou odolnost vůči oxidaci až do 700 ¡«C na vzduchu, tedy lepší než u nelegovaného titanu. To mu umožňuje provoz při vysokých teplotách bez nadměrné ztráty materiálu.

Odolnost proti korozi

Obsah titanu dává Ti3Al výtečnou odolnost vůči korozi při širokém rozsahu kyselin, zásad a slaných prostředích. To jej činí užitečným v chemických procesních zařízeních.

Odolnost proti opotřebení

Ti3Al má dobrou odolnost vůči oděru a erozi srovnatelnou s oceli, díky čemuž je vhodný pro aplikace s vysokým opotřebením, jako jsou ventily, čerpadla a formy pro vytlačování.

Nevýhodami slitiny Ti3Al jsou však také vlastnosti, jako např.:

• Špatná duktilita při pokojové teplotě a houževnatost lomu
• Těžko vyrobitelný a obráběný
• Špatná svařitelnost v důsledku náchylnosti k praskání

K optimalizaci rovnováhy vlastností pro zamýšlené použití jsou nutné řádné zpracování a přidání slitiny.

Použití prášku Ti3Al

Jedinečné vlastnosti prášku Ti3Al ho předurčují k použití v následujících aplikacích:

Letectví a kosmonautika

Aerospaceový průmysl je největší odběratel výrobků Ti3Al z důvodu potřeby snižování hmotnosti, pevnosti při vysokých teplotách a odolnosti proti oxidaci. Typické použití zahrnuje:

• Turbínové lopatky, lopatky, kotouče
• Spalovací komory, dopalovače
• Draky trupu, strukturální prvky
• Hydraulická potrubí, ventily

Automotivní

V automobilovém průmyslu se Ti3Al využívá na součásti turbodmychadel, ventily, pružiny, spojovací prvky a díly výfukových systémů, které vyžadují vysokou pevnost při vysokých teplotách a nižší hmotnost.

Chemické zpracování

Ti3Al se používá do komponentů jako jsou ventily, čerpadla, potrubní fitinky, reakční nádoby, které vyžadují odolnost proti korozi kombinovanou s pevnostními charakteristikami při vysokých teplotách.

Biomedicína

Biokompatibilita, odolnost vůči korozi a pevnost materiálu Ti3Al ho činí vhodným pro ortopedické implantáty, jako jsou umělé kyčelní klouby.

Mezi další aplikace patří vysoce výkonné ventily, vytlačovací trysky, topné prvky a sportovní potřeby. Ti3Al se také používá jako prášek pro aditivní výrobu.

Specifkacie prášku Ti3Al

Prášek Ti3Al je k dispozici v různých rozmezích velikostí, morfologií a úrovních čistoty v závislosti na výrobním procesu. Klíčové specifikace jsou uvedeny níže:

Specifikace	Podrobnosti
Velikosti částic	15 - 150 mikronů
Morphologie	Sferické, hranaté, smíšené
Zdánlivá hustota	2 – 3,5 g/cm3
Hustota poklepání	3 - 4,5 g/cm3
Čistota	99 %, 99,9 %
Obsah kyslíku	¨P 0,2 hm. %
Obsah dusíku	¨P 0,05 hm.%
Obsah uhlíku	¨P 0,08 hm. %
Obsah železa	P 0,30 hm. %
Obsah niklu	¨P 0.10 wt.%
Standardní balíčky	5 kg, 10 kg, 25 kg

Jemnější velikost částic obvykle zajišťuje lepší tekutost, hustotu plnění a reaktivitu. Kulovité morfologie také zlepšují tok prášku. Vyšší čistota snižuje znečišťující látky a zlepšuje vlastnosti.

Výroba Ti3Al prášku

Existuje několik metod používaných k výrobě prášku Ti3Al, mimo jiné:

• Plynulá atomizace?- Roztavená slitina Ti-Al se rozprašuje inertním plynem do jemných kapek, které tuhnou v prášek. Tím vznikají sférické částice s dobrou tekutostí.
• Mechanické legování?- Elementární prášky Ti a Al jsou kuličkové mletí za účelem syntetizování intermetalické sloučeniny mechanicky. Částice prášku mají nepravidelné tvary.
• Sferoidizace plazmatu?- Nepravidelný prášek Ti3Al ze mechanického legovaní se znovu taví v plazmě s cílem vyrobit prášek kulového tvaru.
• Elektrodová indukční tavenina plynová atomizace (EIGA)?- Přiamo taví a atomizuje elektrodu Ti3Al za účelem výroby prášku.

Zplyňování plynem a plazmové zpracování umožňuje lepší kontrolu nad distribucí velikosti částic, morfologií, zachycením kyslíku a mikrostrukturou. Prášek se po výrobě obvykle musí prosít na specifické velikosti frakcí na základě požadavků aplikace.

Náklady na prášek Ti3Al

Prášok Ti3Al je podstatne drahší ako prášky z titánu alebo hliníka samostatne. Náklady sa pohybujú v rozmedzí:

• 100 – 500 Kč za kg pro 99% čistý plynový atomizovaný prášek
• $50-250 za kilogram za práškový mechanický slitiny 99%
• 300–1000 USD za kg za 99,9% plazmového sférizického prášku

Ceny závisejí na velikosti částic, morfologii, úrovně čistoty, množství objednávky a výrobce. Zakázkové slitiny se speciálním složením mohou být ještě dražší. Díky navýšení objemu produkce a vylepšení procesů klesají náklady.

Dodavatelé Ti3Al prášku

Mezi největší globální dodavatele prášku Ti3Al patří:

Společnost	Umístění
AP&C	Kanada
TLS Technik, spol. s r.o.	Německo
Technologie kovů	Spojené království
ATI Powder Metals	USA
Carpenter Additive	USA
Met3DP	Čína
Tekna	Kanada

Existují také někteří producenti v Číně. Doporučuje se odebírat prášek od zavedených výrobců, kteří používají kvalifikované procesy výroby, aby byla zajištěna spolehlivá kvalita a vlastnosti.

Ti3Al a jeho alternativy

Ti3Al konkuruje různým alternativám pro použití konstrukčních materiálů ve vysokých teplotách:

Tabulka: Porovnání slitiny Ti3Al s jinými vysoce teplotními slitinami

Slitina	Hustota	Maximální teplota	Síla	Tažnost	Oxidační odolnost	Cena
Ti3Al	Nízký	Velmi vysoký	Vysoká	Nízký	Dobré	Vysoká
Inconel 718	Vysoká	Vysoká	Střední	Střední	Dobré	Střední
Haynes 230	Vysoká	Velmi vysoký	Vysoká	Nízký	Výborný	Velmi vysoký
Ti6Al4V	Střední	Střední	Střední	Střední	Výborný	Střední
Feritické nerezové oceli	Střední	Střední	Nízký	Vysoká	Špatné	Nízký

Pokud jde o maximální provozní teploty, lepší jsou slitiny na bázi titanu Ti3Al a niklu, jako je například Haynes 230. Nižší hustota a nižší cena Ti3Al jsou však výhodné u aplikací, kde je důležitá hmotnost, jako je například letectví.

Špatná tvářitelnost slitiny Ti3Al za pokojové teploty zůstává klíčovým omezením ve srovnání s ocelemi a slitinou Ti6Al4V. Vývoj slitin a procesů nadále zlepšuje obrobitelnost a zpracovatelnost.

Výhody prášku Ti3Al

Hlavní výhody používání prášku Ti3Al zahrnují:

• Vysoká pevnost uchována až do 800 ¡«C
• Hustota o 40 % nižší než u superslitin s niklem
• Vynikající odolnost proti tečení
• Dobrá oxidační a korozní odolnost
• Náhrada žáruvzdorného kovu bez strategických materiálních rizik
• Výroba tvarů blízkých finálním metodami práškové metalurgie
• Součásti mohou pracovat při vyšších teplotách
• Úspora hmotnosti u rotačních částí, jako jsou lopatky turbíny
• Zvýšená účinnost díky vyšším provozním parametrům

Jedinečná rovnováha mechanických vlastností, nízké hustoty a tepelné stability z Ti3Al činí vhodný materiál pro systémy leteckého a kosmického průmyslu, automobilového průmyslu a výroby energie příští generace.

Omezení prášku Ti3Al

Přes své výhody má Ti3Al také určité nevýhody:

• Křehký při pokojové teplotě, tažnost se zlepší nad 500 ¡«C
• Výroba a obrábění je náročná
• Rychlá ztráta vlastností pod 400 °C
• Náklady na suroviny a zpracování jsou enormní
• Dodavatelský řetězec je omezen malým počtem výrobců
• Návrh komponentů vyžaduje specializované technické znalosti
• Není snadné svařovat ani spojovat pomocí konvenčních technik
• Těžko recyklovatelné a znovu použitelné

Výrobní a nákladové překážky dosud zpomalují široké komerční zavádění Ti3Al. Jeho možnosti však nadále vyvolávají snahy o vývoj, aby se tyto limity překonaly pomocí vylepšených chemických vlastností slitin, kvality prášku a designu součástí.

Výhled pro prášek Ti3Al

O předpokládaném širším používání Ti3Al v sektorech letectví, automobilového průmyslu, průmyslových plynových turbín a výroby energie svědčí skutečnost:

• Rostoucí poptávka po palivové úspornosti proudových motorů a nižších emisích
• Vysokoteplotní materiály potřebné pro elektrické turbokompresory
• Rostoucí trh pro technologie aditivní výroby
• Zaměřit se na strategickou subsituci vzácných zemin a žáruvzdorných kovů
• Snížení nákladů prostřednictvím vylepšené výrobní produktivity

Automobilový a průmyslový trh je citlivější na cenu a vyžaduje prokázanou výhodu v poměru nákladů a výkonu oproti stávajícím slitinám. Sektor letectví je ochotnější zaplatit více za maximální výkon.

Iniciativy vlád v USA, EU a Japonsku urychlují výzkum a vývoj v oblasti výroby prášku Ti3Al, výroby komponent, metod spojování a vývoje slitin. To rozšíří prostor pro aplikace a povede k vyšší míře zavádění.

Často kladené dotazy

Q: K čemu se používá Ti3Al prášek?

Prášek Ti3Al se používá při výrobě součástek pro vysoké teploty, jako jsou lopatky turbín, kola turbodmychadel, výměníky tepla a další součásti, které pracují v rozmezí teplot 500–800 °C. Poskytuje výbornou rovnováhu mezi vysokou pevností, nízkou hustotou a dobrou odolností proti oxidaci.

Otázka: Jak se vyrábí prášek Ti3Al?

A: Mezi běžné výrobní metody patří plynová atomizace, plazmová atomizace, elektrodou indukované tavení plynem (EIGA) a mechanické legování. Každý proces má za následek různé vlastnosti prášku vhodné pro konkrétní aplikace.

Otázka: Je prášek Ti3Al lepší než Inconel 718?

Od: Slitina Ti3Al má nižší hustotu, takže poskytuje úsporu na hmotnosti oproti slitině Inconel 718. Má vyšší pevnost při teplotách nad 700 °C. Tažnost slitiny Ti3Al při pokojové teplotě je však poměrně nízká, zatímco slitina Inconel 718 se dá snadno zpracovávat a obrábět.

Otázka: Jaká je cena prášku Ti3Al?

A: Prášek Ti3Al vyjde přibližně na 450-750 USD za kg, což je téměř 5krát více než niklové super slitiny a 10krát více než titanové nebo hliníkové prášky. Vysoká cena je způsobena složitostí zpracování a omezenou tržní poptávkou.

Q: Jak se manipuluje s práškem Ti3Al a jak se skladuje?

A: Stejně jako další reaktivní slitinové prášky vyžaduje Ti3Al ochrannou atmosféru inertního plynu a skladování bez přítomnosti vlhkosti. Měli by se používat pouze keramické, skleněné nebo nerezové nádoby. Bezpečnostní opatření zahrnují uzemnění, ventilaci a dýchací ochranné osobní prostředky.

Otázka: Jaké jsou výzvy s použitím Ti3Al prášku?

A: Hlavními omezeními jsou špatná tvárnost při pokojové teplotě, vysoké náklady na materiál, omezený počet dodavatelů, obtížné obrábění/výroba a nedostatek technologií pro spojování. Pro rozšíření komerčního použití jsou nutná vylepšení slitiny, vývojové procesy a optimalizace konstrukce komponent.

Q: Jaká je budoucnost prášku Ti3Al?

A: Použití prášku Ti3Al by mělo výrazně vzrůst v leteckých motorech, automobilových turbodmychadlech a průmyslových aplikacích s vysokou teplotou. Iniciativy na snížení nákladů, zlepšení vlastností a zralou výrobu umožní širší přijetí.