Ti3Al 粉末: 组成、特性、应用等

Ti3Al 粉末的一些关键特性和特征包括：

• 最高で 750 ¡«C の高温下での超高強度
• ニッケル超合金の約半分の密度
• 優れた耐腐食性
• 他のチタン合金に比べて密度が低い
• 約700℃までの耐酸化性
• 耐摩耗性
• 生体適合性

しかしながらTi3Alはまた、常温での延性、低い破壊靱性、そして低い溶接性が悪いなどの欠点もあります。さまざまな用途に対して適切な調合と合金添加物が必要です。

この記事では、Ti3Al 粉末の組成、特性、用途、サプライヤー、コスト、試験方法、およびその他の技術的詳細について詳細に説明します。

Ti3Al 粉末組成

Ti3Al 粉末的重量成分比例是钛 75% 和铝 25%。钛铝化物的金属间化合物在 50-75% 铝时形成，而 Ti3Al 是最常见的版本。

正確な成分は製造方法によって異なる場合があります。 Nb、Mo、Si、B、Ta、W、C 及び O などの他の元素が少量添加されて特定の特性を高めることが良くあります。以下の表は一般的な構成範囲を示します。

エレメント	質量 %
チタン（Ti）	69 – 76%
アルミニウム (Al)	24 – 31%
ニオブ（Nb）	0 – 6%
モリブデン（Mo）	0 – 4%
ケイ素（Si）	0 – 2%
ホウ素 (B)	0 – 0.5%
タンタル（Ta）	0 – 5%
タングステン（W）	0 – 5%
炭素（C）	0 – 0.1%
酸素 (O)	0 – 0.2%

延性を保ち脆さを回避するには、酸素と炭素の含有量を正確に制御することが重要です。その他の微量元素は、原料と工程によっては存在する場合もあります。

Ti3Al粉末の性質

Ti3Al粉末的獨特性能源自於其由鈦原子和鋁原子組成的有序金屬間化合物結晶結構。下列是一些重要的性能：

高温強度

Ti3Al は 750° C まで比較的高い強度を維持し、チタンやアルミニウムだけで使うときより大幅に優れています。これにより、エンジン、タービン、バルブなどの高温用途に適しています。以下の表は、Ti3Al の強度をさまざまな温度で他のチタン合金と比較しています。

合金	室温強度 (MPa)	500¡«C (MPa)における強度	密度 (g/cm3)
Ti3Al	400	260	3.9
Ti6Al4V	900	500	4.5
Ti64	900	400	4.5

低密度

密度が 3.7 - 4.1 g/cm3 の Ti3Al は、ニッケル超合金や他のほとんどのチタン合金よりはるかに軽量です。これにより、航空宇宙アプリケーションにおいて重要な部品重量を削減できます。

抗酸化性

Ti3Alは空気中で700℃まで優れた耐酸化性を備え、非合金チタンよりも優れています。これにより、大量の材料損失なしに高温で動作できます。

耐蝕性

チタン含有量は、Ti3Al に、広範囲の酸、アルカリ、塩分環境に対して、優れた耐食性を付与します。これにより、化学処理装置に有益なものとなります。

耐摩耗性

Ti3Alは、鋼とほぼ同等の耐摩耗性と耐食性を持ち、弁、ポンプ、押出ダイスなどの高い摩耗用途に適しています。

ただし、Ti3Alは次のような短所も有しています。

• 室温における展延性と破壊靭性の低さ
• 加工と組み立てが難しい
• ひび割れが生じやすいので溶接性が悪い

目的とするアプリケーションの特性のバランスを最適化するには、適切な処理と合金添加剤が必要です。

Ti3Alパウダーの用途

Ti3Alパウダーの固有の特性は、以下のような用途に適しています。

航空宇宙

軽量性、高温強度、酸化耐性の必要性のために、航空宇宙産業はTi3Al製品の最大の消費地です。典型的な用途としては次のようなものがあります。

• タービンブレード、ベーン、ディスク
• 燃焼器、アフターバーナー
• 機体枠、構造構成要素
• 油圧チューブ、バルブ

自動車の

自動車業界では高耐熱性と低重量が求められるターボチャージャーの構成部品、バルブ、スプリング、ファスナー、排気システムのパーツに Ti3Al が活用されています。

化学加工

Ti3Alは、耐食性と高温機械的特性を必要とするバルブ、ポンプ、配管継手、反応容器などの部品に使用されます。

生体医療

Ti3Alの生体適合性、耐食性、強度は、人工股関節などの整形外科用インプラントに適しています。

他の用途としては、高性能バルブ、押出金型、発熱体、スポーツ用品などが挙げられます。 Ti3Al は添加剤製造粉末としても利用されています。

Ti3Al粉末仕様

製造工程によって、Ti3Al 粉末は、サイズ範囲、形態、および純度のレベルによって入手できます。主な仕様を以下に示します。

仕様	詳細
粒子径	15～150ミクロン
形態	球面, 角ばった, まじった
見掛け比重	2 ～ 3.5 g/cm3
打タップ密度	3 ～ 4.5 g/cm3
純粋さ	99%、99.9%
酸素含量	「P 0.2 重量%
窒素含有量	¨P 0.05 wt%
炭素含有量	¨P0.08 wt％
鉄含有量	¨P 0.30 重量%
ニッケル含有量	¨P 0.10 wt%
標準パック	5kg、10kg、25kg

より細かい粒子サイズは一般により優れた流動性、充填密度および反応性を提供する。球形の形状もパウダーの流動性を向上させる。高い純度は汚染物質を減少させ、性質を向上させる。

Ti3Al粉末の製造

Ti3Al粉末の製造に使用される方法には、次のようなものがあります。

• ガスアトマイゼーション?- 溶融Ti-Al合金を不活性ガスで霧化し、凝固して粉末にします。これにより、流動性に優れ球状粒子を生成します。
• 機械合金化- 元素 Ti と Al 粉は、インターメタリック化合物を機械的に合成するためにボールミルで粉砕されます。粉末粒子は不規則な形状をしています。
• プラズマの球状化機械アロイ化による不規則な Ti3Al 粉末は、プラズマ中で再溶融され、球状粉末を生成します。
• 電極誘導溶解ガスアトマイゼーション (EIGA)?- 直接Ti3Alの電極を溶解蒸発させて粉末を製造する。

ガスアトマイゼーションとプラズマプロセスでは、粒子径の分布、形態、酸素の取り込み量、微細構造をより細かく制御できます。パウダーは通常、生産後に用途に応じた特定のサイズ区分にふるい分けする必要があります。

Ti3Al 粉の価格

Ti3Al 粉末比单独的钛粉末或铝粉末明显昂贵。成本在以下范围内变化：

• 純度99%のガスアトマイズ粉末1kgにつき$100-$500
• 99% 機械合金化粉末、1 kg あたり 50 ～ 250 ドル
• 99.9% プラズマ球状化粉末はキロあたり $300 – $1000 です。

価格は粒度、形態、純度レベル、発注数量、メーカーによって異なります。特殊組成のカスタム合金はさらに高価になる可能性があります。コストは生産量の増加やプロセス改善により下落しています。

Ti3Al 粉末供应商

Ti3Al 粉末的一些主要全球供应商包括：

会社	場所
AP&C	カナダ
TLS テクニーク Gmbh	ドイツ
金属技術	英国
エーティーアイパウダーメタルズ	アメリカ
カーペンター アディティブ	アメリカ
Met3DP	中国
テクナ	カナダ

中国には何人かの生産者もいます。信頼できる品質と特性を確保するために、認定済みの製造プロセスを使用している、定評のある製造元からパウダーを調達することをお勧めします。

Ti3Al 対 比材

Ti3Alは高温構造用途にいくつかの代替品と競合する。

表: Ti3Al と他の高温合金の比較

合金	密度	最高気温	強さ	展性	抗酸化性	利用料
Ti3Al	低い	非常に高い	ハイ	低い	調子が良い	ハイ
インコネル718	ハイ	ハイ	ミディアム	ミディアム	調子が良い	ミディアム
ヘインズ 230	ハイ	非常に高い	ハイ	低い	素晴らしい	非常に高い
Ti6Al4V	ミディアム	ミディアム	ミディアム	ミディアム	素晴らしい	ミディアム
フェライト系ステンレス鋼	ミディアム	ミディアム	低い	ハイ	貧しい	低い

最高サービス温度に対して、Ti3Al と Haynes 230 などのニッケルベース超合金は優れています。しかし、Ti3Al の低い密度とコストは、航空宇宙のような重量が重要な用途に有利です。

Ti3Alの低室温延性は、鋼やTi6Al4Vに対して重要な制限の1つとなっている。合金と処理の開発は、機械加工性と加工性を継続的に向上させている。

Ti3Al 粉体の利点

Ti3Al粉を使用することの主な利点には次のものがあります。

• 800℃でも強度を維持
• ニッケル超合金よりも40%低い密度
• 優れたクリープ抵抗性
• 優良な耐酸化・耐食性
• 戦略物資リスクのない耐火金属置換
• 粉末冶金による近接形状製造
• 構成要素はより高い温度で機能することができます
• タービンブレーなど回転部分の重量削減
• 高い運用パラメータによって効率化

優れた機械的特性のバランス、低密度、熱安定性により、Ti3Al は次世代の航空宇宙、自動車、発電システムを実現する材料となりました。

Ti3Al 粉末的限制

利点があるにもかかわらず、Ti3Al には以下の欠点もあります。

• 室温では脆く、延性は 500¡«C 以上で向上します。
• ファブリケーションと機械加工は困難である
• 400 ℃未満におけるラピッドな財産損失
• 原材料と加工コストが非常に高い
• サプライチェーンは少数の生産者に限定されています
• コンポーネントの設計には、専門的なエンジニアリングの専門知識が必要です。
• 従来の技術では溶接、結合が容易ではありません
• リサイクルや再利用が困難

製造やコストに関するハードルが、現在まで Ti3Al の幅広い商業的採用を鈍らせてきた。しかし、こうした制限を克服するための開発努力は、改善された合金化学、粉末品質、コンポーネント設計によりその能力を継続的に向上させている。

Ti3Al 粉末の展望

Ti3Al の使用が、航空宇宙、自動車、産業用ガスタービン、発電の各分野において拡大すると予測されます。これには以下のような理由が考えられます。

• ジェット燃料の効率アップに対する需要の増加と排出量の削減
• 電気ターボチャージャーに必要な高温材料
• アディティブ製造テクノロジーの市場が拡大
• 希少アースと耐熱金属の戦略的材料代替の重点的整備
• 製造生産性の向上によるコスト削減

自動車市場と産業市場は価格にさらに敏感であり、既存の合金に対してコスト効率の利点を実証する必要があります。航空宇宙部門は、最大のパフォーマンスに対してプレミアムを支払う意欲がより高まっています。

米国、EU、日本における政府主導の取り組みによって、Ti3Al粉末生産、部品製造、接合方法、合金開発の研究開発が加速されています。これにより、適用範囲が広がり、より高い採択率が促進されます。

よくある質問

Q: Ti3Al粉末は何に使われますか？

A: Ti3Al 粉末用于制造高温组件，如涡轮叶片、涡轮增压器叶轮、热交换器和其他在 500-800¡«C 下工作的部件。它提供了高强度、低密度和良好抗氧化性的出色平衡。

Q: Ti3Al粉はどのように作られますか?

A：一般的な製造方法として、ガスアトマイゼーション、プラズマアトマイゼーション、電極誘導溶解ガスアトマイゼーション（EIGA）、機械的合金化があります。各工程により、特定の用途に適した異なる特性を持つ粉末が得られます。

Q: Ti3Al 粉末好于 Inconel 718 吗？

A: Ti3Al は密度の低いため、インコネル 718 に比べて重量を削減できます。700 ¡«C を超える高温ではより強くなります。ただし室温での Ti3Al の延性は非常に低く、一方インコネル 718 は容易に加工および機械加工できます。

Q: Ti3Al粉末的费用是多少？

A：Ti3Al粉末的价格大约为每千克 450-750 美元，这比镍基高温合金贵近 5 倍，比钛粉末或铝粉末贵 10 倍。其高昂的价格是由于加工复杂且市场需求有限造成的。

Q：Ti3Al粉のハンドリングと保管方法を教えてください。

A: 他の反応性合金粉末と同様に、Ti3Al には不活性ガスブランケットと湿度のない保管が必要です。セラミック、ガラス、またはステンレス製の容器のみを使用してください。安全上の注意として、接地、換気、呼吸器用 PPE があります。

Q:Ti3Al粉末の使用にはどのような課題がありますか？

A: 主な制限事項は、室温での延性の乏しさ、材料費の高さ、サプライヤーの数の少なさ、加工/製造の困難さ、接合技術の欠如です。商用での利用を増やすには、合金の改善、プロセスの開発、および部品設計の最適化が必要です。

質問: Ti3Al粉末の将来の見通しを教えてください。

A: Ti3Al 粉末的使用预计会在航空航天发动机、汽车涡轮增压器和高温工业应用领域大幅增长。降低成本、改进性能和成熟制造的计划将推动更广泛的应用。