Titannitridborid

Úvod k práškové slitině TiNb

Prášok ze slitiny TiNb se skládá z titanu a Niob slitin, protože v sobě jedinečným způsobem kombinuje vysokou pevnost, nízkou hustotu, biologickou kompatibilitu, odolnost proti korozi, únavě a tečení při vysokých teplotách.

Titanové slitiny niobu patří do širší třídy titanových intermetalických materiálů, které mají ve srovnání s čistým titanem lepší fyzikální, chemické a mechanické vlastnosti. Přidání niobu jako prvku slitiny vylepšuje určité vlastnosti a umožňuje přizpůsobit titanové slitiny niobu pro specifické aplikace.

Mezi některé klíčové výhody prášku slitiny TiNb patří:

• Vysoký poměr pevnosti a hmotnosti
• Schopnost odolávat extrémním teplotám a tlakům
• Odolává opotřebení, oděru a korozi v drsných prostředích
• Biokompatibilní a netoxický pro lékařské použití
• Lze zpracovat do složitých tvarů pomocí aditivní výroby
• Poskytuje inženýrům flexibilitu návrhu

Slitiny TiNb soutěží se super slitinami na bázi niklu a kobaltu v leteckém průmyslu. Také nabízejí alternativu k nerezové oceli pro biomedicínské implantáty a přístroje. Slitiny TiNb umožňují nové aplikace a designy, které nejsou možné s jinými materiály.

Tento článek nabízí technické pojednání popisující složení, vlastnosti, zpracování, aplikace, specifikace, náklady a jiné praktické aspekty práškové slitiny TiNb.

Složení prášku slitiny TiNb

Slitiny TiNb obsahují především titan a niob jako klíčové složky. Obsah niobu se obvykle pohybuje od 10 % do 50 % hmotnostních, přičemž zbytek tvoří titan.

Poměr Ti a Nb může být upraven tak, aby vytvořil různé druhy TiNb slitin optimalizované pro určené vlastnosti. Některé běžné druhy TiNb zahrnují:

• Ti-10Nb – 10 % niobu, 90 % titanu
• Ti-35Nb – 35 % niobu, 65 % titanu
• Ti-45Nb – 45 % niobu, 55 % titanu
• Ti-50Nb - 50 % niobu, 50 % titanu

Kromě toho mohou být přidány malé množství jiných prvků, jako je zirkonium, tantal, molybden, chrom, čímž se dále zlepší vlastnosti. Jako nečistoty mohou být také přítomny kyslík a dusík.

Tabulka 1: Chemické složení běžných tříd slitin TiNb

Třída slitiny	Obsah niobu	Obsah titanu
Ti-10Nb	10%	90%
Ti-35Nb	35%	65%
Ti-45Nb	45%	55%
Ti-50Nb	50%	50%

Kontrola složení je kritická pro dosažení požadovaných vlastností ve finálním produktu TiNb. Techniky práškové metalurgie umožňují přesné smíchání kovových složek do výchozí suroviny práškové slitiny.

Vlastnosti prášku ze slitiny TiNb

Slitiny TiNb vykazují celou řadu užitečných fyzikálních, mechanických a chemických vlastností, které je činí vhodnými pro vysoce výkonné aplikace. Některé z klíčových vlastností zahrnují:

Fyzické vlastnosti

• hustota - 4,5 až 5,5 g/cm3, nižší než slitiny oceli a niklu
• Teplota tavení & # 8211; 1550 až 1750 °C v závislosti na složení
• Elektrický odpor - 0,5 až 0,6 Ã×´Î.m, vyšší než u čistého titanu
• Tepelná vodivost - 6 až 22 W/m.K, nižší než u titanu

Mechanické vlastnosti

• Tažnost - 500 až 1100 Mpa, zvyšuje se s obsahem niobu
• Mez únosnosti – 300 až 900 MPa
• Prodloužení – 10 % až 25 %
• Tvrdost – 200 až 350 HV
• Únavová pevnost: 400 až 600 MPa

Ostatní vlastnosti

• Odolnost vůči korozi – Vynikající díky ochranné oxidové vrstvě
• Odolnost proti opotřebení – Lepší než titan vzhledem k tvrdosti
• Biokompatibilita – Netoxický a hypoalergenní

Upravováním poměru Ti/Nb lze optimalizovat vlastnosti, jako je pevnost, tažnost, tvrdost a modul pružnosti podle požadavků aplikace.

Tabulka 2: Typické vlastnosti Ti-35Nb slitiny

Nemovitost	Hodnota
Hustota	5,2 g/cm3
Teplota tání	1600 léta před naším letopočtem
Pevnost v tahu	650 MPa
Mez kluzu	550 MPa
Prodloužení	15%
Modul pružnosti	60 GPa
Tvrdost	250 HV

Aplikace práškových slitin TiNb

Jedinečné vlastnosti slitin TiNb je předurčují pro náročné aplikace v různých odvětvích:

Letectví a kosmonautika

• Komponenty motoru – lopatky, kotouče, upevňovací prvky
• Díly draku letadla – podvozky, křídla, trup
• Hydraulické systémy – čerpadla, ventily, pohony

Automotivní

• Ventilové pružiny, motorové ventily
• Ojnice, rotory turbodmychadla
• Motoristické komponenty

Biomedicína

• Ortopedické implantáty - koleno, kyčle
• Dentální implantáty, korunky
• Chirurgické nástroje
• Zdravotnické prostředky

Chemický průmysl

• Výměníky tepla, reaktory
• Čerpadla, ventily, potrubí
• Korozně odolné vybavení

Další aplikace

• Sportovní zboží – golfové hole, rámy jízdních kol
• Špičkové hodinky a šperky
• Elektrické kontakty a konektory
• Součásti vysokoteplotních pecí

Kombinace pevnosti, teplotní odolnosti, odolnosti proti korozi a biokompatibilita povolují slitinám TiNb nahrazovat těžší materiály ve všech těchto odvětvích.

Tabulka 3: Použití slitiny TiNb podle průmyslového odvětví

Průmysl	APLIKACE
Letectví a kosmonautika	Součásti motoru, díly draku letadla, hydraulické systémy
Automotivní	Ventilové pružiny, motorové ventily, ojnice
Biomedicína	Implantáty, zubní, chirurgické nástroje, přístroje
Chemický	Výměníky tepla, reaktory, čerpadla, ventily
Další	Sportovní zboží, hodinky, elektrické kontakty, součásti pecí

Zpracování prášku TiNb

Prášek ze slitiny titanu a niobu lze vyrobit různými způsoby:

Mísení kovových prášků

• Elementární prášky titanu a niobu jsou smíchány v potřebném složení.
• směsnamleté práškové směsi jsou mechanicky legováné, které tvoří prášek TiNb slitiny

Plynulá atomizace

• roztavená slitina TiNb se atomizuje inertním plynem na jemné kapičky
• kapičky se zpevní do kulovitých částic slitinového prášku

Procesem s otáčející se plazmovou elektrodou (PREP)

• Tyč TiNb elektrody se taví pomocí plazmového oblouku a za vysokých otáček se odstřeďuje
• odstředivou silou se přeruší kapičky a zpevní na částice

Metoda hydrid-dehydrid (HDH)

• Kovy Ti a Nb jsou přeměněny na křehké hydridové prášky
• hydridové prášky se smíchají, dehydrují, drtí a prosévají

Velikost částic, morfologie, tekutost a mikrostruktura prášku mohou být řízeny výběrem vhodného výrobního procesu. To ovlivňuje výsledné vlastnosti po konsolidaci.

Tabulka 4: Metody výroby prášku TiNb slitiny

Metoda	Popis	Velikost částic	Morphologie
Mechanické legování	Smíchání a frézování prášků Ti a Nb	10–50 mikrometrů	Nepravidelný, hranatý
Plynulá atomizace	Inertní plynová atomizace tavené slitiny	15 - 150 mikronů	Sférický
Rotační plazmová elektroda	Odstředivý rozpad tavené elektrody	50–150 mikronů	Sférický
Proces HDH	Hydridyzace, dehydridyzace, drcení drcených prášků	10 - 63 mikrometrů	Nepravidelný, hranatý

Zpevnění prášku slitiny TiNb

Práškový slitiny TiNb lze přeměnit na plně husté součásti pomocí různých technik konsolidace práškové metalurgie:

Horké izostatické lisování (HIP)

• zapouzdřený prášek je HIPpován za vysoké teploty a tlaku

Vakuové spékání

• prášek je slisován a sintrován ve vakuové peci

Sinterování jiskrovým plazmatem

• prášek pulzním stejnosměrným proudem současně zahřeje a stlačí

Metal Injection Molding (MIM)

• prášek smíchaný se pojivem, vytvarovaný, zbavený pojiva a slinovaný

aditivní výroba

• nulový prachový podklad na tavící (SLM, EBM) nebo usměrněné vklady energie (DED)

HIP a vakuové spékání mohou dosáhnout téměř plné hustoty při zachování jemné mikrostruktury. Aditivní výroba nabízí větší geometrickou volnost. Proces konsolidace může být optimalizován tak, aby dosáhl požadovaných vlastností.

Tabulka 5: Techniky konsolidace práškových sloučenin TiNb

Metoda	Popis	Hustota	Mikrostruktura	Geometrie
HIP	Vysoký tlak, vysoká teplota	Téměř s plnou hustotou	Dobře	Jednoduché tvary
Vakuové spékání	Sinterování ve vakuové peci	Téměř s plnou hustotou	Dobře	Jednoduché tvary
Sinterování jiskrovým plazmatem	Pulsovaný proud a tlak	Plná hustota	Ultrajemný	Jednoduché tvary
Metal Injection Molding	Formuje práškem a pojivem	Téměř s plnou hustotou	Ultrajemný	Složité tvary
aditivní výroba	Powder bed fusion nebo přímé ukládání energie	Téměř s plnou hustotou	Hrubozrnný	Složité tvary

Specifikace prášku TiNb Alloy

TiNb slitinový prášek je dostupný v několika variantách, aby vyhovoval různým aplikacím:

Složení: Slitiny s 10 až 50% obsahem niobu

Velikost částic: 10 až 150 mikronů

Morfologie: Sférické, nepravidelné nebo smíšené

Metoda výroby: Plynový atomizovaný, HDH, smíšený elementární

Čistota: >99,5 % titanu, >99,8 % niobu

Obsah kyslíku: <2000 ppm

Tečení: Průtok hale > 23 s/50 g

Zdánlivá hustota: ¡Ô 2,5 g/cm³

hustota klepnutí ¡Ù 3,5 g/cm ³

Mezi obvykle specifikované vlastnosti patří chemické složení, distribuce velikosti částic, morfologie, průtok a hustota. Pro specifické aplikace lze vyrobit slitiny a specifikace prášků na míru.

Tabulka 6: Typická specifikace plynem atomizovaného prášku Ti-35Nb

Parametr	Specifikace
Složení slitiny	Ti-35Nb
Velikost částic	15 až 45 mikronů
Morphologie	Sférický
Způsob výroby	Plynulá atomizace
Čistota	Ti >99,5 %, Nb >99,8 %
Obsah kyslíku	< 1500 ppm
Průtok	38 s/50 g
Zdánlivá hustota	Ô 2,7 g/cc
Hustota poklepání	¡Ô 4,2 g/cm³

Dodavatelé prášku slitiny TiNb

Někteří přední světoví dodavatelé prášku titanové niobové slitiny zahrnují:

• AP&C – práškové slitiny titanu a niobu
• Atlantic Equipment Engineers – sférické a úhlové prášky
• Technologie TLS – plyny atomizované slitiny TiNb
• Metalová technologie – smíšené elementární a předem slitinové prášky
• Sandvik Osprey – sférické prášky vyráběné plynovou atomizací
• Carpenter Additive – přizpůsobené prášky slitin

TiNb-Legierungen werden auch von Anbietern von Titan- und Niobmetallen angeboten. Sowohl standardisierte Legierungen als auch kundenspezifische Zusammensetzungen können von diesen Pulverherstellern bezogen werden.

Tabulka 7: Dodavatelé práškového materiálu slitiny TiNb

Společnost	Materiály	Metody tvorby
AP&C	Slitiny Ti, Nb, TiNb	Plynulá atomizace
Atlantic Equipment Engineers	Slitiny Ti, Nb, TiNb	Gass atomisering, smíchání
TLS Technologie	Slitiny TiNb	Plynulá atomizace
Technologie kovů	Slitiny TiNb	Směsové z legujícího prvku, předem legující
Sandvik Osprey	Slitiny TiNb	Plynulá atomizace
Carpenter Additive	Vlastní slitiny TiNb	Plynulá atomizace

Cena slitin TiNb prášku

Prášek ze slitiny TiNb je dražší než samotný titanový nebo niobový prášek. Cena závisí na:

• Složení - vyšší obsah Nb zvyšuje náklady
• Čistota – vyšší cena za vyšší čistotu
• Velikost a rozložení částic
• Metoda výroby - plynule atomizovaný prášek stojí více
• Objednávané množství — větší objemy vycházejí levněji

Orientační ceny prášku z TiNb slitiny v malých množstvích:

• Ti-10Nb: 100 až 300 USD za kg
• Ti-35Nb: 11 200 až 27 500 Kč za kg
• Ti-50Nb:300 až 800 USD za kg

Při hromadných objednávkách stovek kilogramů nebo několika tun se ceny podstatně snižují.

Tabulka 8: Indikativní ceny práškových slitin TiNb

Slitina	Cena ($/kg)
Ti-10Nb	$100 – $300
Ti-35Nb	$200 – $500
Ti-50Nb	$300 – $800

Manipulace a skladování práškového slitiny TiNb

Jako reaktivní kovový prášek při manipulaci s slitinovým práškem TiNb je nutná určitá opatrnost:

• Skladujte ve vzduchotěsných nádobách v suché, inertní atmosféře, aby nedocházelo k oxidaci a kontaminaci
• Zabránit kontaktu s kyslíkem, vlhkem, oleji, hořlavými materiały
• Zabránění hromadění jemných prášků na površích nebo zařízeních
• Uzem všechny vodivé vybavení, které se používá při manipulaci
• Používejte jiskřičky odolné nástroje a minimalizujte vznik prachu
• Při manipulaci používejte rukavice a ochranu dýchacích cest
• Použijte uzemněné ventilační systémy a vyhýbejte se prašným oblakům
• Chraňte výrobek před teplem, plameny, jiskrami a jinými zdroji vznícení
• Respektujte bezpečnostní list k zajištění správného osobního ochranného vybavení a opatření

Pokud je prášek ze slitiny TiNb správně skladován v suché, inertní atmosféře, má obvykle šestiměsíční trvanlivost. Nevhodné podmínky skladování mohou vést k oxidaci, ztrátě tekutosti nebo nebezpečí vznícení.

Tabulka 9: Manipulace s práškem ze slitiny TiNb

Parametr	Pokyny
Úložiště	Uzavřené boxy, suchý inertní atmosfér
Atmosféra	Vyvarujte se kyslíku, vlhkosti, olejů, hořlavin
Výbava	Uzemnit všechna vodivá zařízení
Nástroje	Používejte nejiskřivé nástroje
Větrání	Uzemňovací ventilační systém
OOPP	Rukavice, ochrana dýchacích cest
Preventivní opatření	Vyhýbejte se teplu, plamenům, jiskrám
Trvanlivost	12 měsíců v inertní atmosféře

Bezpečnostní list slitiny prášku TiNb

Stejně jako ostatní reaktivní kovové prášky mají TiNb slitiny důležitá bezpečnostní opatření:

• Ochranné pracovní pomůcky – rukavice, ochrana očí, maska/respirátor
• Vyvarujte se vdechování prášků – používejte ochranu dýchacích cest
• Vyhněte se kontaktu s kůží a očima
• Po manipulaci s práškem si důkladně umyjte ruce
• Vyvarujte se zdrojů zapalování, prášek může být hořlavý
• Použijte odpovídající uzemnění a odvětrávání
• Atmosféra inertního skladování pro prevenci oxidace
• Zabraňte rozlití a hromadění prachu na površích
• Dodržujte pokyny o bezpečnostních listech a štítcích s upozorněním

První pomoc:

• Inhalace: Přejděte na čerstvý vzduch. V případě potřeby vyhledejte lékařskou pomoc.
• Kontakt s pokožkou: Omyjte mýdlem a vodou. Pokud podráždění přetrvává, vyhledejte pomoc.
• Oční kontakt: Proplachujte oči 15 minut vodou. Vyhledejte lékaře.
• Konzumace: Popíjejte vodu. Vyhledejte lékařskou pomoc, pokud se objeví nevolnost.

Před manipulací a zpracováním prášku slitiny TiNb je vždy nutné si pro úplné informace o zdraví a bezpečnosti vyžádat od dodavatele informační list bezpečnostních údajů.

Tabulka 10: Klíčová bezpečnostní opatření pro práškovou slitinu TiNb

Položka bezpečnosti	Preventivní opatření
OOPP	Rukavice, brýle, respirátor N95
Inhalace	Použijte respirátor
Kontakt s pokožkou	Omyjte postižené místo mýdlem s vodou
Oční kontakt	Opláchněte si oči 15 minut vodou
Ingestace	Pijte vodu. Vyhledejte lékařskou pomoc, pokud je to potřeba.
Větrání	Použijte odsávací digestoře se vzduchovodem napojeným na venkovní prostředí
Uzemnění	Při manipulaci vždy uzemněte veškeré vybavení
Inicializace	Vyhněte se jiskrám, plamenům, zdrojům tepla
Úložiště	Netečná atmosféra pryč od hořlavých materiálů

Kontrola kvality prášku slitiny TiNb

Aby se zajistilo, že slitina TiNb odpovídá specifikacím, provádějí se různé kontroly kvality:

• Chemická analýza?- Analýza ICP, GDMS nebo LECO pro ověření složení a čistoty
• Analýza velikosti částic?- laserová difrakce nebo sítko na analýzu rozložení velikostí
• Morphologie?- SEM snímkování pro kontrolu tvaru částice a povrchovou topologii
• Průtok?- Test průtokoměru typu Hall k měření tekutosti prášků
• Hustota?- měření zdánlivé a klepací hustoty
• Kyslík/dusík?- inertní analýza plynové fúze pro intersticiální nečistoty
• Identifikace fáze?- XRD analýza pro určení přítomných fází

Vlastnosti prášku jsou testovány u každé šarže podle kvalitativních standardů jako ASTM B939, ASTM F3049, EN 10204 3.1. Prášek lze míchat mezi šaržemi, aby se dosáhlo uniformity.

Tabulka 11: Zkušební metody pro práškovou slitinu TiNb

Test	Metoda	Standard
Kompozice	ICP, GDMS, LECO	ASTM E1479, ASTM E2330
Distribuce velikosti částic	Laserová difrakce, prosévání	ASTM B822
Morphologie	Skenovací elektronová mikroskopie	ASTM B822
Průtok	Průtokoměry s hallovým principem	ASTM B213
Hustota	Scottův průtokoměr	ASTM B212
Kyslík/dusík	Inertní plynová tavba	ASTM E1019
Fázová analýza	Difrakce rentgenových paprsků	ASTM E1876

Lékařské aplikace slitin TiNb

Vzhledem k jejich biologické kompatibilitě, vysoké pevnosti a nízkému modulu jsou slitiny TiNb široce využívány při výrobě zdravotnických implantátů a zařízení:

Ortopedické implantáty

• Výměna kolen a kyčlí
• Kostní plotny, šrouby
• Zařízení pro spinální fixaci
• Dentální implantáty a můstky

Slitiny TiNb, například Ti-35Nb a Ti-45Nb, odpovídají modulu pružnosti kostí v lidském těle a zároveň disponují vysokou únavovou pevností. Ve srovnání s pevnějšími slitinami titanu to snižuje riziko stínění napětí.

Kardiovaskulární zařízení

• Stenty
• Pouzdra kardiostimulátorů
• Vodiče pro zavedení katetru
• Chirurgické nástroje

Odolnost vůči korozi, netoxicita a nemagnetismus slitin TiNb je činí vhodnými pro zařízení, která přicházejí do styku s krví a tkáňemi.

Slitiny TiNb určené k lékařskému použití

• Ti-10Nb až Ti-50Nb
• Ti-Nb-Zr, Ti-Nb-Ta pro upravené vlastnosti
• Normy ISO 5832-11 a ASTM F2066

Obvykle se používá titan s nižším modulem Ti-35Nb a Ti-45Nb. Vyšší obsah Nb posiluje, ale také zvyšuje modul. Malé přísady Zr/Ta dále přizpůsobují vlastnosti.

Výhody slitin TiNb pro použití v biomedicíně

• Vynikající biokompatibilita a osteointegrace
• Vysoká pevnost a únavová odolnost
• Nízký modul podobný kosti
• Netoxický, nealergenní
• Odolný proti korozi
• Nemagnetické

Slitiny TiNb poskytují nejlepší kombinaci pevnosti, biokompatibilitu, odolnost proti korozi a pružnosti pro implantáty.

Výzvy související s lékařskými komponenty z titanovo-niobové slitiny

• Obtížné obrábění a výroba
• Nákladnější než slitina Ti-6Al-4V
• Vyžaduje přísnou kontrolu kvality a testování
• Klinické údaje v delším časovém horizontu jsou stále ještě rozvíjeny

Kvůli relativní novince titano-niobových komponent pro lékařské použití může být jejich výroba a licencování složitější. Nicméně jejich výhody převyšují krátkodobé výzvy.

Použití slitiny TiNb v automobilovém průmyslu

Vysoká pevnost, odolnost vůči teplotě a únavová životnost slitin TiNb je činí atraktivní pro automobilové díly:

Pružiny ventilů

• Větší síla umožňuje nižší hmotnost pružiny
• Snižuje vznášení ventilu při vysokých otáčkách
• Umožňuje vyšší výkon

Ventily motoru

• Odolává vysokoteplotním výfukovým plynům
• Odolá opotřebení a deformaci.
• Lehký

Spojovací tyče

• Vysoký poměr pevnosti a hmotnosti
• Snižuje kmitající hmotnost
• Umožňuje vyšší otáčky a výkon

Rotory turbodmychadel

• Zachovává pevnost při vysokých teplotách
• Odolává deformaci po zachycení
• Tepelná odolnost vůči šokům
• Nízká hustota

Motoristické komponenty

• Odlehčené závěsy, díly podvozku
• Vyšší odolnost proti únavě

Snížená hmotnost a setrvačnost v kombinaci s tepelnou a únavovou odolností vedou k vyššímu výkonu motoru a účinnosti.

Výzvy pro slitiny TiNb pro automobilový průmysl

• Vyšší cena ve srovnání se slitinami oceli
• Problémy se zpracováním s práškovou metalurgií
• Omezený počet dodavatelů a zkušeností s výrobou
• Nejistý poměr nákladů a výnosů

Zprvu mohou výhody ospravedlnit zvýšené ceny u luxusních vozidel a motorových sportů. Širší přijetí závisí na producentech prášku TiNb, kteří sníží náklady.

Aerospaceové aplikace TiNb slitin

Slitiny TiNb konkurují slitinám niklu např. pro letecké motory a aplikace motorových kluzáků, kde je potřeba pevnost při nízkých teplotách:

Součásti motoru

• Lopatkovec turbíny, kotouče, kryty
• Lopatky kompresoru
• Hřídele, spojovací materiál
• Reverzory tahu

Struktury

• Podvozková sestava
• Křídla, žebra, podélníky
• Kosterky trupu
• Hydraulické potrubí

Výhody

• o 30–50 % nižší hustotě, než super slitiny niklu
• Šetří hmotnost
• Podobná pevnost a odolnost vůči deformaci
• Odolává vysokému namáhání a teplotám

Výzvy