Ti3Al-Pulver: Zusammensetzung, Eigenschaften, Anwendungen und mehr

Zu den wichtigsten Eigenschaften und Merkmalen von Ti3Al-Pulver gehören:

• Hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen bis 750¡«C
• Dichte ungefähr halb so hoch wie die von Nickel-Superlegierungen
• Außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit
• Geringe Dichte im Vergleich zu anderen Titanlegierungen
• Oxidationsbeständigkeit bis etwa 700¡«C
• Verschleißfestigkeit
• Biokompatibilität

Ti3Al hat jedoch auch Einschränkungen wie geringe Duktilität bei Raumtemperatur, niedrige Bruchzähigkeit und schlechte Schweißbarkeit. Um die Eigenschaften für verschiedene Anwendungen optimal auszubalancieren, sind eine sorgfältige Verarbeitung und Legierungszusätze erforderlich.

In diesem Artikel werden die Zusammensetzung, Eigenschaften, Anwendungen, Lieferanten, Kosten, Testmethoden und weitere technische Details erläutert, die mit Ti3Al-Pulver im Zusammenhang stehen.

Ti3Al-Pulver-Zusammensetzung

Ti3Al-Pulver hat eine nominale Zusammensetzung aus 75 % Titan und 25 % Aluminium (nach Gewicht). Die intermetallische Verbindung des Titanaluminids bildet sich bei einem Anteil zwischen 50 und 75 % Aluminium, wobei Ti3Al die gebräuchlichste Version darstellt.

Die genaue Zusammensetzung kann je nach Herstellungsmethode variieren. Weitere Elemente wie Nb, Mo, Si, B, Ta, W, C und O werden häufig in kleinen Mengen zugesetzt, um bestimmte Eigenschaften zu verbessern. Die folgende Tabelle zeigt den typischen Zusammensetzungsbereich:

Element	Gew.-%
Titan (Ti)	69 – 76%
Aluminium (Al)	24 – 31%
Niobium (Nb)	0 – 6%
Molybdän (Mo)	0 – 4%
Silizium (Si)	0 – 2%
Bor (B)	0 – 0.5%
Tantal (Ta)	0 – 5%
Wolfram (W)	0 – 5%
Kohlenstoff (C)	0 – 0.1%
Sauerstoff (O)	0 – 0.2%

Die Steuerung des Sauerstoff- und Kohlenstoffgehalts ist entscheidend, um Versprödung zu vermeiden und die Duktilität zu erhalten. Je nach Rohmaterialien und Prozess können auch weitere Spurenelemente vorhanden sein.

Ti3Al Pulver Eigenschaften

Die einzigartigen Eigenschaften von Ti3Al-Pulver resultieren aus der geordneten intermetallischen Kristallstruktur, die aus sowohl Titan- als auch Aluminiumatomen besteht. Einige der bemerkenswerten Eigenschaften umfassen:

Hohe Temperaturbeständigkeit

Ti3Al hat eine relativ hohe Bruchfestigkeit bis zu 750 °C, die deutlich besser ist als die von Titan oder Aluminium allein. Dies macht es für Anwendungen mit erhöhten Temperaturen in Motoren, Turbinen, Ventilen etc. geeignet. Die folgende Tabelle vergleicht die Festigkeit von Ti3Al mit anderen Titanlegierungen bei verschiedenen Temperaturen:

Legierung	Raumtemperatur-Festigkeit (MPa)	Festigkeit bei 500¡«C (MPa)	Dichte (g/cm3)
Ti3Al	400	260	3.9
Ti6Al4V	900	500	4.5
Ti64	900	400	4.5

Geringe Dichte

Mit einer Dichte von ca. 3,7 – 4,1 g/cm3 ist Ti3Al viel leichter als Nickelsuperlegierungen und die meisten anderen Titanlegierungen. Das trägt dazu bei, das bei Luft- und Raumfahrtanwendungen entscheidende Bauteilgewicht zu reduzieren.

Oxidationsbeständigkeit

Ti3Al bietet eine gute Oxidationsbeständigkeit bis zu 700 °C in Luft, besser als unleigiertes Titan. Dies ermöglicht einen Betrieb bei hohen Temperaturen ohne übermäßigen Materialverlust.

Korrosionsbeständigkeit

Der Titangehalt verleiht Ti3Al eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in verschiedenen Säuren, Laugen und salzhaltigen Umgebungen. Daher ist es für die Verwendung in Anlagen der chemischen Verarbeitung geeignet.

Verschleißfestigkeit

Ti3Al hat eine dem Stahl vergleichbare gute Abrieb- und Erosionsbeständigkeit, wodurch es sich für Anwendungen mit hohem Verschleiß wie Ventile, Pumpen und Extrusionswerkzeuge eignet.

Ti3Al leidet jedoch auch unter Nachteilen wie:

• Geringe Duktilität und Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur
• Schwer zu verarbeiten und herzustellen
• Schlechte Schweißbarkeit aufgrund der Anfälligkeit für Rissbildung

Richtige Verfahren und Legierungszusätze sind erforderlich, um das Eigenschaftsgleichgewicht für den gewünschten Anwendungszweck zu optimieren.

Anwendungen für Ti3Al-Pulver

Die speziellen Eigenschaften des Ti3Al-Pulvers eignen sich für die folgenden Anwendungen:

Luft- und Raumfahrt

Die Luft- und Raumfahrtindustrie ist der größte Verbraucher von Ti3Al-Produkten aufgrund der Notwendigkeit von Gewichtseinsparungen, hoher Temperaturbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit. Zu den typischen Anwendungen gehören:

• Turbinenschaufeln, Leitschaufeln, Scheiben
• Brennkammern, Nachbrenner
• Flugzellen, Strukturbauteile
• Hydraulikschläuche, Ventile

Automotive

Die Automobilindustrie nutzt Ti3Al für Turboladerkomponenten, Ventile, Federn, Verbindungselemente und Abgassystemkomponenten, die eine hohe Wärmefestigkeit und ein geringeres Gewicht erfordern.

Chemische Verarbeitung

Ti3Al wird für Komponenten wie Ventile, Pumpen, Rohrverschraubungen und Reaktionsgefäße verwendet, die Korrosionsbeständigkeit in Verbindung mit mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen erfordern.

Biomedizinisch

Die Biokompatibilität, Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit von Ti3Al machen es für orthopädische Implantate wie künstliche Hüftgelenke geeignet.

Zu den weiteren Anwendungen zählen Hochleistungsventile, Strangpressdüsen, Heizelemente und Sportartikel. Ti3Al wird außerdem als Additiv für Fertigungspulver verwendet.

Technische Daten zu Ti3Al-Pulver

Ti3Al-Pulver ist in unterschiedlichen Größenbereichen, Morphologien und Reinheitsgraden erhältlich, je nach Herstellungsverfahren. Hier sind die wichtigsten Spezifikationen:

Spezifikation	Details
Teilchengrößen	15 – 150 µm
Morphologie	Sphärisch, eckig, gemischt
Anscheindichte	2 – 3,5 g/cm³
Schüttdichte	3-4,5 g/cm³
Reinheit	99%、99,9%
Sauerstoffgehalt	¨P 0,2 Gew.-%
Stickstoffgehalt	¨P 0,05 Gew.-%
Kohlenstoffgehalt	¨P 0,08 Gew-%
Eisenanteil	¨P 0,30 Gew.-%
Nickelanteil	¨P 0,10 Gew%
Standardpakete	5 kg, 10 kg, 25 kg

Feinere Partikelgrößen liefern in der Regel eine bessere Fließfähigkeit, Packungsdichte und Reaktivität. Sphärische Morphologien verbessern auch den Pulverfluss. Eine höhere Reinheit verringert Verunreinigungen und verbessert Eigenschaften.

Ti3Al-Pulverproduktion

Es gibt verschiedene Methoden zur Herstellung von Ti3Al-Pulver, darunter:

• Gasverdüsung?- Geschmolzene Ti-Al-Legierung wird mit Inertgas zu feinen Tröpfchen atomisiert, die sich zu Pulver verhärten. Dies führt zu kugelförmigen Partikeln mit guter Fließfähigkeit.
• Mechanisches Legieren?- Elementare Ti- und Al-Pulver werden Kugelmahlen, um die intermetallische Verbindung mechanisch zu synthetisieren. Die Pulverpartikel haben unregelmäßige Formen.
• Plasmasphäroidisierung?- Unregelmäßiges Ti3Al-Pulver aus mechanisch legierter Rückenschmelze in einem Plasma zur Erzeugung kugelförmigen Pulvers.
• Elektrodeninduktions-Schmelzgas-Zerstäubung (EIGA)?- Schmelzt und zerstäubt direkt eine Elektrode aus Ti3Al zur Herstellung von Pulver.

Gasverdüsung und Plasmabearbeitung ermöglichen eine bessere Kontrolle über Partikelgrößenverteilung, Morphologie, Sauerstoffaufnahme und Mikrostruktur. Nach der Herstellung muss das Pulver in der Regel je nach Anwendungsanforderungen in spezifische Größenfraktionen gesiebt werden.

Ti3Al-Pulverpreis

Ti3Al-Pulver ist wesentlich teurer als reines Titan- oder Aluminium-Pulver. Die Kosten variieren zwischen:

• 100 bis 500 US-$ pro kg für 99% Reinheit Gas zerstäubtes Pulver
• 50 – 250 $ pro kg für 99% mechanisch legierte Pulver
• 300 $-1000 $ pro kg für 99,9 % Plasmapulver

Die Preise sind abhängig von der Partikelgröße, Morphologie, Reinheitsgrad, Bestellmenge und dem Hersteller. Spezialanfertigungen mit besonderen Zusammensetzungen können noch teurer sein. Aufgrund höherer Produktionsmengen und Prozessverbesserungen sind die Kosten jedoch rückläufig.

Ti3Al-Pulverlieferanten

Zu den wichtigsten globalen Ti3Al-Pulver-Anbietern zählen:

Unternehmen	Ort
AP&C	Kanada
TLS Technik GmbH	Deutschland
Metalltechnologie	Großbritannien
ATI Pulvermetalle	Vereinigte Staaten
Carpenter Additive	Vereinigte Staaten
Met3DP	China
Tekna	Kanada

Es gibt auch einige wenige Hersteller in China. Es wird empfohlen, Pulver von etablierten Herstellern zu beziehen, die qualifizierte Herstellungsverfahren verwenden, um eine zuverlässige Qualität und zuverlässige Eigenschaften zu gewährleisten.

Ti3Al versus Alternativen

Ti3Al konkurriert im Hochtemperaturbereich mit mehreren Alternativen für tragende Strukturen:

Tabelle: Vergleich von Ti3Al mit anderen Hochtemperaturlegierungen

Legierung	Dichte	Max. Temp.	Stärke	Duktilität	Oxidationsbeständigkeit	Kosten
Ti3Al	Niedrig	Sehr hoch	High	Niedrig	Gut	High
Inconel 718	High	High	Mittel	Mittel	Gut	Mittel
Haynes 230	High	Sehr hoch	High	Niedrig	Ausgezeichnet	Sehr hoch
Ti6Al4V	Mittel	Mittel	Mittel	Mittel	Ausgezeichnet	Mittel
Ferritsche Edelstähle	Mittel	Mittel	Niedrig	High	Arm	Niedrig

Für maximale Betriebstemperaturen sind Ti3Al und Superlegierungen auf Nickelbasis wie Haynes 230 überlegen. Die geringere Dichte und die niedrigeren Kosten von Ti3Al sind jedoch für gewichtskritische Anwendungen wie in der Luft- und Raumfahrt von Vorteil.

Die geringe Duktilität von Ti3Al bei Raumtemperatur ist im Vergleich zu Stählen und Ti6Al4V nach wie vor eine wesentliche Einschränkung. Die Legierung und Weiterentwicklung von Verfahren verbessern kontinuierlich die Bearbeitungsfähigkeit und Verarbeitbarkeit.

Vorteile von Ti3Al-Pulver

Hauptvorteile der Verwendung von Ti3Al-Pulver:

• Die hohe Festigkeit bleibt bis 800 °C erhalten
• Dichte 40 % niedriger als bei Nickel-Superlegierungen
• Ausgezeichnete Kriechfestigkeit
• Gut oxidations- und korrosionsbeständig
• Substitution von hochschmelzenden Metallen ohne Risiko für strategische Materialien
• Nahformgebung mit Pulvermetallurgie
• Bauelemente können bei sehr hohen Temperaturen arbeiten
• Gewichtsersparnis bei rotierenden Teilen wie Turbinenschaufeln
• Verbesserte Effizienz durch höhere Betriebsparameter

Das einzigartige Gleichgewicht aus mechanischen Eigenschaften, geringer Dichte und Wärmestabilität macht Ti3Al zu einem brauchbaren Material für Raumfahrt-, Fahrzeug- und Stromerzeugungssysteme der nächsten Generation.

Einschränkungen von Ti3Al-Pulver

Trotz seiner Vorteile weist Ti3Al auch gewisse Nachteile auf:

• Bei Zimmertemperatur spröde, Verformbarkeit verbessert sich bei über 500¡«C
• Fertigung und Bearbeitung sind anspruchsvoll
• Rascher Verlust von Eigenschaften unterhalb von 400 °C
• Die Kosten für Rohmaterial und Verarbeitung sind sehr hoch
• Lieferkette ist mit wenigen Produzenten limitiert
• Bauteilkonstruktion erfordert spezifisches technisches Fachwissen
• Nicht leicht mit herkömmlichen Techniken zu schweißen oder zu verbinden
• Schwer zu recyceln und wiederzuverwerten

Herstellungs- und Kostenhürden haben bislang eine breite kommerzielle Einführung von Ti3Al verzögert. Seine Möglichkeiten treiben jedoch weiterhin die Entwicklungsanstrengungen voran, um diese Einschränkungen durch verbesserte Legierungschemien, Pulverqualität und Komponentendesign zu überwinden.

Ausblick für Ti3Al-Pulver

Es wird erwartet, dass Ti3Al in Zukunft aufgrund der folgenden Faktoren in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Automobilbau, Industriegasturbinen und Stromerzeugung verstärkt eingesetzt wird:

• Steigende Nachfrage nach sparsameren Triebwerken mit niedrigeren Emissionen
• Hochtemperaturwerkstoffe für elektrische Turboaufladungen erforderlich
• Wachsender Markt für additive Fertigungstechnologien
• Schwerpunkt strategischer Materialsubstitution für Seltene Erden und hochschmelzende Metalle
• Kostensenkung durch verbesserte Produktionsleistung

Märkte für Kraftfahrzeuge und Industrie sind sensibler für Preise und erfordern einen nachgewiesenen Vorteil im Preis-Leistungsverhältnis gegenüber bestehenden Legierungen. Der Luft- und Raumfahrtsektor ist eher bereit, eine Prämie für maximale Leistung zu zahlen.

Staatliche Initiativen in den USA, der EU und Japan beschleunigen die Forschung und Entwicklung zur Ti3Al-Pulverproduktion, Herstellung von Komponenten, Verbindungsmethoden und Legierungsentwicklung. Dies wird den Anwendungsbereich erweitern und höhere Akzeptanzraten vorantreiben.

Häufig gestellte Fragen

F: Wofür wird Ti3Al-Pulver verwendet?

A: Ti3Al-Pulver wird bei der Herstellung von Hochtemperaturbauteilen wie Turbinenschaufeln, Turboladerrädern, Wärmetauschern und anderen Bauteilen verwendet, die bei Temperaturen von 500 bis 800 ¡«C betrieben werden. Es bietet eine hervorragende Kombination aus hoher Festigkeit, geringer Dichte und guter Oxidationsbeständigkeit.

F: Wie wird Ti3Al-Pulver hergestellt?

A: Übliche Herstellungsverfahren sind Gaszerstäubung, Plasmazerstäubung, Elektrodeninduktionsschmelzgaszerstäubung (EIGA) und mechanische Legierung. Jedes Verfahren hat seine unterschiedlichen Pulvermerkmale, die für bestimmte Anwendungen geeignet sind.

F: Ist Ti3Al-Pulver besser als Inconel 718?

A: Ti3Al hat eine geringere Dichte, wodurch sich im Vergleich zu Inconel 718 eine Gewichtsersparnis ergibt. Es weist eine höhere Festigkeit bei Temperaturen über 700 °C auf. Allerdings ist die Duktilität von Ti3Al bei Raumtemperatur ziemlich gering, während Inconel 718 leicht bearbeitet und gefräst werden kann.

F: Was kostet Ti3Al-Pulver?

A: Ti3Al-Pulver kostet zwischen 450 und 750 US-Dollar pro Kilogramm, was fast fünfmal teurer ist als Nickelsuperlegierungen und zehnmal teurer als Titan- oder Aluminiumpulver. Die hohen Kosten sind auf die komplexe Verarbeitung und die geringe Nachfrage des Marktes zurückzuführen.

Q: Wie wird das Ti3Al-Pulver gehandhabt und gelagert?

A: Wie andere reaktive Legierungspulver benötigt Ti3Al eine Schutzgasatmosphäre und lagerfeie Lagerung. Es sollten nur Keramik-, Glas- oder Edelstahlbehälter verwendet werden. Sicherheitsvorkehrungen umfassen Erdung, Belüftung und Atemschutzgeräte.

F: Welche Herausforderungen sind mit der Verwendung von Ti3Al-Pulver verbunden?

A: Wichtige Einschränkungen sind die schlechte Dehnbarkeit bei Raumtemperatur, die hohen Materialkosten, das begrenzte Angebot, die schwierige Bearbeitung/Fertigung und das Fehlen von Verbindungstechniken. Um die kommerzielle Nutzung zu erweitern, sind Legierungsverbesserungen, Verfahrensentwicklungen und die Optimierung des Komponentendesigns erforderlich.

F: Wie sieht die Zukunftsaussichten für Ti3Al aus?

A: Der Verbrauch von Ti3Al-Pulver wird voraussichtlich in Flug- und Raumfahrtmotoren, Turboladern für Kraftfahrzeuge und Hochtemperaturanwendungen in der Industrie deutlich steigen. Initiativen zur Kostensenkung, Verbesserung der Eigenschaften und Reifung der Fertigung werden eine breitere Akzeptanz ermöglichen.