Σκόνη Ti3Al: Σύνθεση, ιδιότητες, εφαρμογές και πολλά άλλα

Μερικές από τις σημαντικότερες ιδιότητες και χαρακτηριστικά της σκόνης Ti3Al είναι οι εξής:

• Υψηλή αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες έως και 750¡«C
• Η πυκνότητα είναι σχεδόν η μισή από αυτήν των υπερκραμάτων νικελίου
• Εξαιρετική ανθεκτικότητα σε διάβρωση
• Χαμηλή πυκνότητα σε σύγκριση με άλλα κράματα τιτανίου
• Ανθεκτικότητα οξείδωσης έως περίπου 700¡«C
• Αντοχή στη φθορά
• βιοσυμβατότητα

Ωστόσο, το Ti3Al έχει επίσης περιορισμούς όπως η κακή ολκιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου, η χαμηλή αντοχή σε ρωγμές και η κακή συγκολλησιμότητα. Απαιτείται σωστή επεξεργασία και πρόσθετα κράματος για τη βελτίωση της ισορροπίας των ιδιοτήτων για διαφορετικές εφαρμογές.

Αυτό το άρθρο παρέχει μια λεπτομερή επισκόπηση της σύνθεσης, των ιδιοτήτων, των εφαρμογών, των προμηθευτών, των τιμών, των μεθόδων δοκιμής και άλλων τεχνικών λεπτομερειών σχετικά με την κονιορτοποιημένη Ti3Al.

Σύνθεση σκόνης Ti3Al

Η σκόνη Ti3Al έχει ονομαστική σύσταση 75% τιτάνιο και 25% αλουμίνιο κατά βάρος. Η διμεταλλική ένωση αλουμινιδίου τιτανίου διαμορφώνεται σε 50-75% αλουμίνιο, με το Ti3Al να είναι η πιο κοινή έκδοση.

Η ακριβής σύνθεση μπορεί να διαφέρει ανάλογα με τη μέθοδο παραγωγής. Άλλα στοιχεία όπως Nb, Mo, Si, B, Ta, W, C και O προστίθενται συχνά σε μικρές ποσότητες για να ενισχύσουν ορισμένες ιδιότητες. Ο παρακάτω πίνακας δείχνει το τυπικό εύρος σύνθεσης:

Στοιχείο	Ποσοστό βάρους
Τιτάνιο (Ti)	69 – 76%
Αλουμίνιο (Al)	24 – 31%
Νιόβιο (Nb)	0 – 6%
Μολυβδαίνιο (Mo)	0 – 4%
Πυρίτιο (Si)	0 – 2%
Βόριο (B)	0 – 0.5%
Ταντάλιο (Ta)	0 – 5%
Βολφράμιο (W)	0 – 5%
Άνθρακας (C)	0 – 0.1%
Οξυγόνο (O)	0 – 0.2%

Ο Έλεγχοςτουπεριεχομένου σε οξυγόνο και άνθρακα είναι κρίσιμος για την αποφυγή της εύθραυστες και τη διατήρηση της ελκτικότητας. Άλλα ιχνοστοιχεία μπορεί επίσης να υπάρχουν, ανάλογα με τις πρώτες ύλες και τη διαδικασία.

Ιδιότητες Σκόνης Ti3Al

Οι μοναδικές ιδιότητες της σκόνης Ti3Al πηγάζουν από την οργανωμένη διαμεταλλική κρυσταλλική της δομή, που αποτελείται από άτομα τιτανίου και αλουμινίου. Μερικές από τις αξιοσημείωτες ιδιότητες περιλαμβάνουν:

Αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες

Το Ti3Al διατηρεί σχετικά υψηλή αντοχή έως τους 750¡«C, σημαντικά καλύτερα από το τιτάνιο ή το αλουμίνιο μόνο του. Αυτό το καθιστά κατάλληλο για εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών σε μηχανές, στροβίλους, βαλβίδες κ.λπ. Ο παρακάτω πίνακας συγκρίνει την αντοχή του Ti3Al με άλλα κράματα τιτανίου σε διαφορετικές θερμοκρασίες:

Κράμα	Αντοχή σε Θερμοκρασία Δωματίου (MPa)	Αντοχή στους 500ºC (MPa)	Πυκνότητα (g/cm3)
Ti3Al	400	260	3.9
Ti6Al4V	900	500	4.5
Ti64	900	400	4.5

Χαμηλή πυκνότητα

Με πυκνότητα περίπου 3,7 - 4,1 g/cm3, το Ti3Al είναι πολύ ελαφρύτερο από τα υπερκράματα νικελίου και τα περισσότερα από τα άλλα κράματα τιτανίου. Αυτό βοηθά στην μείωση του βάρους των εξαρτημάτων που είναι κρίσιμο σε εφαρμογές αεροδιαστημικής.

Αντοχή σε οξείδωση

Το Ti3Al παρέχει καλή αντοχή στην οξείδωση μέχρι τους 700¡«C στον αέρα, καλύτερη από τον μη κράματο τιτάνιο. Αυτό επιτρέπει τη λειτουργία του σε υψηλές θερμοκρασίες χωρίς υπερβάλλουσα απώλεια υλικού.

Αντοχή στη διάβρωση

Η περιεκτικότητα τιτανίου δίνει στο Ti3Al άριστη αντοχή στη διάβρωση έναντι ενός ευρέος φάσματος οξέων, αλκαλίων και αλατούχων περιβαλλόντων. Αυτό το καθιστά χρήσιμο εξοπλισμό επεξεργασίας χημικών.

Αντοχή στη φθορά

Το Ti3Al διαθέτει καλή αντοχή στη φθορά και τη διάβρωση συγκρίσιμη με τον χάλυβα, καθιστώντας το κατάλληλο για εφαρμογές με υψηλή φθορά όπως βαλβίδες, αντλίες και εξολκείς.

Ωστόσο, το Ti3Al επίσης υποφέρει από μειονεκτήματα όπως:

• Κακή ελατότητα σε θερμοκρασία δωματίου και αντοχή σε ρήξη
• Δύσκολη η κατασκευή και ο χειρισμός
• Κακή συγκολλησιμότητα λόγω ευαισθησίας στη ρηγμάτωση

Ο κατάλληλος χειρισμός και οι προσθήκες κράματος απαιτούνται για τη βελτιστοποίηση της ισορροπίας ιδιοτήτων για την προβλεπόμενη εφαρμογή.

Εφαρμογές Πούδρας Ti3Al

Οι μοναδικές ιδιότητες της σκόνης Ti3Al την καθιστούν κατάλληλη για τις ακόλουθες εφαρμογές:

Αεροδιαστημική

Η αεροδιαστημική βιομηχανία είναι ο μεγαλύτερος καταναλωτής προϊόντων Ti3Al ακριβώς λόγω της ανάγκης μείωσης βάρους, αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες και αντοχής σε οξείδωση. Τυπικές εφαρμογές περιλαμβάνουν:

• Πτερύγια στροβίλου, πτερύγια, δίσκοι
• Θάλαμοι καύσης, μετακαυστήρες
• Αεροπλάνων, δομικά μέρη
• Υδραυλικές σωληνώσεις, βαλβίδες

Αυτοκινητοβιομηχανία

Η αυτοκινητοβιομηχανία χρησιμοποιεί Ti3Al για εξαρτήματα υπερσυμπιεστών, βαλβίδες, ελατήρια, συνδετήρες και εξαρτήματα συστημάτων εξαγωγής που απαιτούν υψηλή αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και χαμηλότερο βάρος.

Χημική Επεξεργασία

Το Ti3Al χρησιμοποιείται για εξαρτήματα όπως βαλβίδες, αντλίες, εξαρτήματα σωλήνων, δοχεία αντίδρασης που χρειάζονται αντοχή σε διάβρωση σε συνδυασμό με μηχανικές ιδιότητες υψηλής θερμοκρασίας.

Βιοϊατρική

Η βιοσυμβατότητα, η αντοχή στη διάβρωση και η δύναμη του Ti3Al το καθιστούν κατάλληλο για ορθοπεδικά εμφυτεύματα, όπως τεχνητές αρθρώσεις ισχίου.

Άλλες εφαρμογές περιλαμβάνουν βαλβίδες υψηλής απόδοσης, μήτρες εξώθησης, θερμαντικά στοιχεία και είδη αθλητισμού. Το Ti3Al χρησιμοποιείται επίσης ως πρόσθετη σκόνη κατασκευής.

Προδιαγραφές σκόνης Ti3Al

Η σκόνη Ti3Al διατίθεται σε διαφορετικές σειρές μεγεθών, μορφολογιών και επιπέδων καθαρότητας, ανάλογα με τη διαδικασία παραγωγής. Οι βασικές προδιαγραφές παρέχονται παρακάτω:

Προδιαγραφές	Λεπτομέρειες
Μέγεθος σωματιδίων	15– 150 μικρόμετρα
Μορφολογία	Σφαιρική, γωνιώδης, μικτή
Φαινομενική πυκνότητα	2 – 3,5 gr/cm3
Πυκνότητα πατήματος	3 - 4,5 γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό
Αγνότητα	εως και 99%, εως και 99,9%
Περιεκτικότητα οξυγόνου	¨ Ρ 0,2 βαρ%
Περιεκτικότητα σε άζωτο	¨P 0,05 %β/β
Περιεχόμενο άνθρακα	¨P 0,08% κατά βάρος
Περιεκτικότητα σε σίδηρο	¨P 0,30 wt%
Περιεκτικότητα σε νικέλιο	¨P 0,10 βαρ
Στάνταρ πακέτα	5 κιλά, 10 κιλά, 25 κιλά

Γενικά, το μικρότερο μέγεθος των σωματιδίων παρέχει καλύτερη ρευστότητα, πυκνότητα συσκευασίας και αντιδραστικότητα. Η σφαιρική μορφολογία, επίσης, βελτιώνει τη ροή της σκόνης. Η αυξημένη καθαρότητα μειώνει τους μολυντές και βελτιώνει τις ιδιότητες.

Παραγωγή σκόνης Ti3Al

Υπάρχουν πολλές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή σκόνης Ti3Al, όπως:

• Αεριοποίηση?- Το λιωμένο κράμα Ti-Al ατμοποιείται με αδρανές αέριο σε λεπτές σταγόνες που στερεοποιούνται σε σκόνη. Αυτό παράγει σφαιρικά σωματίδια με καλή ρευστότητα.
• Μηχανική Κράμα-? Οι σκόνες στοιχειακού Ti και Al αλέθονται σε μπαλάκι για να συνθέσουν μηχανικά την διμεταλλική ένωση. Τα σωματίδια της σκόνης έχουν ακανόνιστα σχήματα.
• Σφαιροποίηση πλάσματος?- Η ακανόνιστη σκόνη Ti3Al από μηχανική κράμαξη τήκεται ξανά σε ένα πλάσμα για να παραχθεί σφαιρική σκόνη.
• Λιωμένο αέριο ατομικοποίησης επαγωγικής ηλεκτροδίου (EIGA)- Λιώνει απευθείας και ατομικοποιεί ένα ηλεκτρόδιο Ti3Al για την παραγωγή σκόνης.

Η αεριοποίηση και η επεξεργασία με πλάσμα επιτρέπουν καλύτερο έλεγχο στη διανομή μεγέθους των σωματιδίων, τη μορφολογία, τη πρόσληψη οξυγόνου και τη μικροδομή. Συνήθως, η σκόνη πρέπει να κοσκινιστεί σε συγκεκριμένες κλάσεις μεγεθών μετά την παραγωγή βάσει των απαιτήσεων της εφαρμογής.

Κόστος σκόνης Ti3Al

Η τιμή της σκόνης Ti3Al είναι σημαντικά υψηλότερη από εκείνη της σκόνης τιτανίου ή αλουμινίου χωριστά. Το κόστος διαφέρει μεταξύ:

• 100 –500 δολάρια ανά κιλό για αέριο ψεκασμένη σκόνη 99% καθαρότητας
• 50–250 δολάρια ΗΠΑ/κιλό για κονιοποιημένο υλικό μηχανικής κράμας 99%
• Από 300 έως 1000 δολάρια ανά κιλό για σφαιροποιημένη σκόνη πλάσματος 99,9%

Οι τιμές εξαρτώνται από το μέγεθος των σωματιδίων, τη μορφολογία, το επίπεδο αγνότητας, την ποσότητα της παραγγελίας και τον κατασκευαστή. Τα προσαρμοσμένα κράματα με ειδικές συνθέσεις μπορεί να κοστίζουν ακόμη περισσότερο. Τα κόστη έχουν μειωθεί λόγω αύξησης των όγκων παραγωγής και βελτιώσεων των διαδικασιών.

Προμηθευτές σκόνης Ti3Al

Ορισμένοι από τους σημαντικότερους παγκόσμιους προμηθευτές σκόνης Ti3Al περιλαμβάνουν:

Εταιρεία	Τοποθεσία
AP&C	Καναδάς
TLS Technik GmbH	Γερμανία
Τεχνολογία μετάλλου	Ηνωμένο Βασίλειο
ATI Powder Metals	ΗΠΑ
Carpenter Additive	ΗΠΑ
Met3DP	Kίνα
Tekna	Καναδάς

Υπάρχουν κι άλλοι παραγωγοί στην Κίνα. Συνιστάται να προμηθεύεστε σκόνη από καταξιωμένους κατασκευαστές, που χρησιμοποιούν αξιόπιστες διαδικασίες παραγωγής για την εξασφάλιση αξιοπιστίας ποιότητας και ιδιοτήτων.

Ti3Al έναντι εναλλακτικών

Το Ti3Al ανταγωνίζεται σε διάφορες εναλλακτικές λύσεις για εφαρμογές κατασκευών υψηλής θερμοκρασίας:

Πίνακας: Σύγκριση του Ti3Al με άλλα κράματα υψηλής θερμοκρασίας

Κράμα	Πυκνότητα	Μέγιστη Θερμοκρασία	Ισχύς	Ικανότητα παραμόρφωσης	Αντοχή σε οξείδωση	Κόστος
Ti3Al	Χαμηλό	Πολύ υψηλό	Υψηλό	Χαμηλό	Καλη	Υψηλό
Inconel 718	Υψηλό	Υψηλό	Μέσο	Μέσο	Καλη	Μέσο
Haynes 230	Υψηλό	Πολύ υψηλό	Υψηλό	Χαμηλό	Άριστος	Πολύ υψηλό
Ti6Al4V	Μέσο	Μέσο	Μέσο	Μέσο	Άριστος	Μέσο
Οι φερριτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες	Μέσο	Μέσο	Χαμηλό	Υψηλό	Φτωχός	Χαμηλό

Για μέγιστες θερμοκρασίες λειτουργίας, το Ti3Al και οι υπερκραματοποιήσεις νικελίου, όπως το Haynes 230, είναι ανώτερα. Ωστόσο, η χαμηλότερη πυκνότητα και το κόστος του Ti3Al είναι πλεονεκτικά για εφαρμογές κρίσιμες για το βάρος, όπως η αεροδιαστημική.

Η αδύναμη επιμήκυνση του Ti3Al σε θερμοκρασία δωματίου παραμένει ένας βασικός περιορισμός έναντι των χαλύβων και του Ti6Al4V. Η ανάπτυξη κραμάτων και διεργασιών συνεχίζει να βελτιώνει την κατεργαστικότητα και τη δυνατότητα κατασκευής.

Πλεονεκτήματα της σκόνης Ti3Al

Τα βασικά οφέλη της χρήσης σκόνης Ti3Al περιλαμβάνουν:

• Η αντοχή διατηρείται στα 800¡«C
• Πυκνότητα 40% χαμηλότερη από κράματα υπερνικελίου
• Άριστη αντοχή στη συρρίκνωση
• Καλη αντοχή στην οξείδωση και τη διάβρωση
• Αντικατάσταση ανθεκτικών μετάλλων χωρίς κινδύνους για τα στρατηγικά υλικά
• Κατασκευή με τελικό σχήμα κοντά στο καθαρό με μεταλλουργία σκονών
• Τα στοιχεία μπορούν να λειτουργήσουν σε υψηλότερες θερμοκρασίες
• Εξοικονόμηση βάρους σε περιστρεφόμενα μέρη όπως είναι οι πτερύγες των στροβίλων
• Βελτιωμένη απόδοση μέσω υψηλότερων παραμέτρων λειτουργίας

Η μοναδική ισορροπία μηχανικών ιδιοτήτων, η χαμηλή πυκνότητα και η θερμική σταθερότητα καθιστούν το Ti3Al ένα κατάλληλο υλικό για συστήματα αεροδιαστημικής, αυτοκινητοβιομηχανίας και παραγωγής ενέργειας επόμενης γενιάς.

Περιορισμοί της σκόνης Ti3Al

Παρά τα πλεονεκτήματά του, το Ti3Al έχει επίσης ορισμένα μειονεκτήματα:

• Εύθραυστος σε θερμοκρασία δωματίου, η ολκιμότητα βελτιώνεται πάνω από τους 500ºC
• Η κατασκευή και η μηχανουργία αποτελούν πρόκληση
• Ταχεία απώλεια ιδιοτήτων κάτω από τους 400°C
• To πρώτο υλικό και το κόστος επεξεργασίας είναι πολύ υψηλά
• Η αλυσίδα εφοδιασμού περιορίζεται με λίγους παραγωγούς
• Ο σχεδιασμός εξαρτημάτων απαιτεί ειδική μηχανική εμπειρογνωμοσύνη
• Δεν συγκολλάται ή δεν ενώνεται εύκολα με συμβατικές τεχνικές
• Δύσκολο να ανακυκλωθεί και να επαναχρησιμοποιηθεί

Τα εμπόδια στην παραγωγή και το κόστος έχουν επιβραδύνει την ευρεία εμπορική υιοθέτηση του Ti3Al μέχρι σήμερα. Αλλά οι δυνατότητές του εξακολουθούν να οδηγούν τις προσπάθειες ανάπτυξης για να ξεπεραστούν αυτοί οι περιορισμοί μέσω βελτιωμένων χημειών κράματος, ποιότητας σκόνης και σχεδιασμού εξαρτημάτων.

Προοπτικές για σκόνη Ti3Al

Λόγω των παρακάτω παραγόντων, αναμένεται ότι το Ti3Al θα χρησιμοποιείται ευρύτερα σε τομείς όπως η αεροδιαστημική, η αυτοκινητοβιομηχανία, οι βιομηχανικές αεριοστρόβιλοι και η παραγωγή ενέργειας:

• Αυξανόμενη ζήτηση για αποδοτικότητα καυσίμου σε κινητήρες αεροσκαφών και χαμηλότερες εκπομπές
• Υλικά υψηλών θερμοκρασιών που απαιτούνται για ηλεκτρικούς υπερσυμπιεστές
• Αυξανόμενη αγορά για τεχνολογίες προσθετικής κατασκευής
• Εστίαση στη στρατηγική υποκατάσταση υλικών για τις σπάνιες γαίες και τα πυρίμαχα μέταλλα
• Μείωση κόστους μέσω βελτιωμένης παραγωγικής ικανότητας

Οι αυτοκινητιστικές και βιομηχανικές αγορές είναι πιο ευαίσθητες στις τιμές και απαιτούν αποδεδειγμένο πλεονέκτημα κόστους-απόδοσης σε σύγκριση με τα υπάρχοντα κράματα. Ο τομέας της αεροδιαστημικής είναι περισσότερο διατεθειμένος να πληρώσει ένα ασφάλιστρο για μέγιστη απόδοση.

Οι πρωτοβουλίες της κυβέρνησης στις Η.Π.Α., την Ε.Ε. και την Ιαπωνία επιταχύνουν την ΕΚΕ και την παραγωγή σκόνης Ti3Al, την παραγωγή εξαρτημάτων, τις μεθόδους ένωσης και την ανάπτυξη κραμάτων. Αυτό θα επεκτείνει το χώρο εφαρμογής και θα οδηγήσει σε υψηλότερα ποσοστά υιοθέτησης.

Συχνές ερωτήσεις

Ε: Για τι χρησιμοποιείται η σκόνη Ti3Al;

A: H σκόνη Ti3Al χρησιμοποιείται για την κατασκευή εξαρτημάτων υψηλής θερμοκρασίας όπως πτερύγια τουρμπίνας, τροχοί υπερσυμπιεστών, εναλλάκτες θερμότητας και άλλα εξαρτήματα που λειτουργούν από 500-800¡«C. Παρέχει μια εξαιρετική ισορροπία υψηλής αντοχής, χαμηλής πυκνότητας και καλής αντοχής στην οξείδωση.

Ε: Πώς παρασκευάζεται η σκόνη Ti3Al;

A: Οι συνηθισμένες μέθοδοι παραγωγής περιλαμβάνουν την αεριοποίηση, την πλασματική αεριοποίηση, την αεριοποίηση επαγωγικής τήξης ηλεκτροδίων (EIGA) και τη μηχανική συναλλαγή. Κάθε διαδικασία έχει ως αποτέλεσμα διαφορετικά χαρακτηριστικά σκόνης που είναι κατάλληλα για συγκεκριμένες εφαρμογές.

Ερ.: Είναι η σκόνη Ti3Al καλύτερη από την Inconel 718;

Α: Το Ti3Al διαθέτει μικρότερη πυκνότητα, συνεπώς παρέχει εξοικονόμηση βάρους σε σχέση με το Inconel 718. Έχει υψηλότερη αντοχή σε θερμοκρασίες υψηλότερες από 700 °C. Ωστόσο, η ελατότητα του Ti3Al σε θερμοκρασία δωματίου είναι αρκετά χαμηλή, ενώ το Inconel 718 μπορεί να κατασκευαστεί και να κατεργαστεί εύκολα.

Ε: Πόσο κοστίζει σκόνη Ti3Al;

A: Η σκόνη Ti3Al κοστίζει περίπου 450-750 δολάρια το κιλό, που είναι περίπου 5 φορές ακριβότερη από τις υπερ-συγχρώσεις νικελίου και 10 φορές ακριβότερη από τις σκόνες τιτανίου ή αλουμινίου. Το υψηλό κόστος οφείλεται στην πολύπλοκη επεξεργασία και τη περιορισμένη ζήτηση της αγοράς.

Ε: Πώς χειρίζεται και αποθηκεύεται η σκόνη Ti3Al;

A: Όπως και άλλες σκόνες αντιδραστικών κραμάτων, το Ti3Al απαιτεί αδρανή αέρια και αποθήκευση χωρίς υγρασία. Πρέπει να χρησιμοποιούνται μόνο δοχεία κεραμικά, γυάλινα και ανοξείδωτα. Οι προφυλάξεις ασφαλείας περιλαμβάνουν γείωση, εξαερισμό και ατομικό προστατευτικό εξοπλισμό (ΜΑΠ) αναπνευστικής οδού.

Ε: Ποιες είναι οι προκλήσεις με τη χρήση σκόνης Ti3Al;

Α: Σημαντικοί περιοριστικοί παράγοντες είναι η κακή ελατότητα σε θερμοκρασία δωματίου, το υψηλό κόστος υλικού, ο περιορισμένος αριθμός προμηθευτών, η δυσκολία κατεργασίας/κατασκευής και η έλλειψη τεχνολογιών συγκόλλησης. Απαιτούνται βελτιώσεις κραμάτων, αναπτύξεις διεργασιών και βελτιστοποίηση σχεδίασης εξαρτήματος για επέκταση της εμπορικής χρήσης.

Ε: Ποιες είναι οι προοπτικές για το μέλλον της σκόνης Ti3Al;

A: Η χρήση σκόνης Ti3Al προβλέπεται να αναπτυχθεί σημαντικά σε κινητήρες αεροδιαστημικής, υπερσυμπιεστές αυτοκινήτων και βιομηχανικές εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας. Οι πρωτοβουλίες για τη μείωση των κόστων, τη βελτίωση των ιδιοτήτων και την ώριμη κατασκευή θα επιτρέψουν ευρύτερη υιοθέτηση.