Ti3Al-poeder: samenstelling, eigenschappen, toepassingen en meer

Enkele belangrijke eigenschappen en kenmerken van Ti3Al-poeder omvatten:

• Hoge sterkte bij verhoogde temperaturen tot 750 °C
• Dichtheid ongeveer de helft van nikkelsuperlegeringen
• Uitstekende corrosieweerstand
• Lage dichtheid in vergelijking met andere titaniumlegeringen
• Oxidatiebestendig tot ongeveer 700¡«C
• Slijtvastheid
• biocompatibel

Ti3Al kent echter ook beperkingen, zoals slechte taaiheid bij kamertemperatuur, lage breuktaaiheid en slechte lasbaarheid. Om de balans van eigenschappen voor verschillende toepassingen te optimaliseren zijn de juiste bewerking en toevoegingen aan het legeringsmateriaal vereist.

Dit artikel geeft een gedetailleerd overzicht van de samenstelling, eigenschappen, toepassingen, leveranciers, kosten, testmethoden en andere technische details met betrekking tot Ti3Al-poeder.

Ti3Al-poedersamenstelling

Het poeder van Ti3Al heeft een nominale samenstelling van 75% titanium en 25% aluminium op basis van het gewicht. De metallische verbinding tussen titanium en aluminium vormt zich tussen 50-75% aluminium, waarbij Ti3Al de meest voorkomende variant is.

De exacte samenstelling kan variëren afhankelijk van de productiemethode. Andere elementen zoals Nb, Mo, Si, B, Ta, W, C en O worden vaak in kleine hoeveelheden toegevoegd om bepaalde eigenschappen te verbeteren. De onderstaande tabel geeft het typische samenstellingsbereik weer:

Element	Gewichts %
Titanium (Ti)	69 – 76%
Aluminium (Al)	24 – 31%
Niobium (Nb)	0 – 6%
Molybdeen (Mo)	0 – 4%
Silicium (Si)	0 – 2%
Boor (B)	0 – 0.5%
Tantalum (Ta)	0 – 5%
Wolfraam (W)	0 – 5%
Koolstof (C)	0 – 0.1%
Zuurstof (O)	0 – 0.2%

De controle van de zuurstof- en koolstofinhoud is cruciaal om verbrozing te vermijden en de ductiliteit te behouden. Andere sporenelementen kunnen ook aanwezig zijn, afhankelijk van de grondstoffen en het proces.

Eigenschappen van Ti3Al poeder

De unieke eigenschappen van Ti3Al-poeder zijn afkomstig van zijn geordende intermetallische kristalstructuur, bestaande uit zowel titanium- als aluminiumatomen. Enkele van de opmerkelijke eigenschappen zijn:

Sterkte bij hoge temperatuur

Ti3Al behoudt een relatief hoge sterkte tot 750¡«C, aanzienlijk beter dan alleen titanium of aluminium. Dit maakt het geschikt voor toepassingen bij hoge temperaturen in motoren, turbines, kleppen, enz. De onderstaande tabel vergelijkt de sterkte van Ti3Al’s met andere titaniumlegeringen bij verschillende temperaturen:

Legering	Kamertemperatuursterkte (MPa)	Sterkte op 500¡«C (MPa)	Dichtheid (g/cm3)
Ti3Al	400	260	3.9
Ti6Al4V	900	500	4.5
Ti64	900	400	4.5

Lage dichtheid

Met een dichtheid van ongeveer 3,7 - 4,1 g/cm3 is Ti3Al veel lichter dan superlegeringen met nikkel en de meeste andere titaniumlegeringen. Dit helpt het componentgewicht te verminderen, wat cruciaal is voor toepassingen in de lucht- en ruimtevaart.

Oxidatiebestendigheid

Ti3Al biedt een goede oxidatiebestendigheid tot 700¡«C in de lucht, beter dan ongelegeerd titanium. Dit maakt het mogelijk om bij hoge temperaturen te werken zonder overmatig materiaalverlies.

Weerstand tegen corrosie

Dank het titaniumgehalte heeft Ti3Al een uitstekende corrosiebestendigheid tegen een breed scala aan zuren, logen en zoutmilieus. Dit maakt het bruikbaar in apparatuur voor chemische verwerking.

Slijtvastheid

Ti3Al heeft een goede slijt- en erosiebestendigheid die vergelijkbaar is met staalsoorten, wat het geschikt maakt voor toepassingen met hoge slijtage zoals in kleppen, pompen en extrudermatrijzen.

Ti3Al kampt echter ook met nadelen zoals:

• Slechte kamertemperatuur ductiliteit en breuktaaiheid
• Moeilijk te fabriceren en te bewerken
• Slechte lasbaarheid als gevolg van gevoeligheid voor scheurvorming

Voor een optimale balans van eigenschappen voor de beoogde toepassing zijn adequate verwerking en toevoegingen van de legering vereist.

Toepassingen van Ti3Al-poeder

De unieke eigenschappen van Ti3Al-poeder maken het geschikt voor de volgende toepassingen:

Lucht- en ruimtevaart

De lucht- en ruimtevaartindustrie is de grootste afnemer van Ti3Al-producten vanwege de noodzaak van gewichtsbesparing, hoge temperatuursterkte en weerstand tegen oxidatie. Typische toepassingen zijn:

• Turbineschoepen, schoepenkransen, schijven
• Verbrandingskamers, naverbranders
• Luchtrompen , structurele componenten
• Hydraulische buizen, kleppen

Automobielen

De auto-industrie gebruikt Ti3Al voor turboladercomponenten, kleppen, veren, verbindingsmiddelen en uitlaatsysteemonderdelen waar hoge temperatuursterkte en lager gewicht vereist zijn.

Chemische verwerking

Ti3Al wordt gebruikt voor onderdelen zoals kleppen, pompen, pijpfittingen, reactievaten waarvoor corrosiebestendigheid gepaard met mechanische eigenschappen bij hoge temperaturen vereist is.

Biomedisch

De biocompatibiliteit, corrosiebestendigheid en sterkte van Ti3Al maken het geschikt voor orthopedische implantaten zoals kunstheupen.

Andere toepassingen zijn onder meer hoogwaardige kleppen, extrusie matrijzen, verwarmingselementen en sportartikelen. Ti3Al wordt ook gebruikt als additief productiapoeder.

Technische gegevens Ti3Al-poeder

Ti3Al-poeder is verkrijgbaar in verschillende grootteklassen, morfologieën en zuiverheidsniveaus, afhankelijk van het productieproces. De belangrijkste specificaties zijn hieronder weergegeven:

Specificatie	Details
Deeltjesgroottes	15 – 150 micron
Morfologie	Bolvormig, hoekig, gemengd
Schijnbare dichtheid	2 - 3,5 g/cm3
Tapdichtheid	3 - 4,5 g/cm³
Zuiverheid	¡Ô99%, ¡Ô99.9%
Zuurstofgehalte	¨P 0,2 wt%
Stikstofgehalte	¨P 0,05 gew.%
Koolstofgehalte	¨P 0,08 gew%
IJzergehalte	¨P 0,30 wt%
Nikkel	¨P 0,10 gew%
Standaardpakketten	5 kg, 10 kg, 25 kg

Fijnere deeltjesgroottes leveren over het algemeen een betere vloeibaarheid, pakkingsdichtheid en reactiviteit op. Bolvormige morfologieën verbeteren ook de poederstroom. Hogere zuiverheid vermindert verontreinigingen en verbetert eigenschappen.

Productie van Ti3Al-poeder

Er zijn verschillende methoden die worden gebruikt om Ti3Al-poeder te produceren, waaronder:

• Gasverstuiving- Gesmolten Ti-Al legering wordt met inert gas verneveld in fijne druppeltjes die stollen tot poeder. Dit produceert bolvormige deeltjes met een goede vloeibaarheid.
• Mechanische legering?- Elementaire Ti- en Al-poeders worden met een kogelsmolen mechanisch gefreesd om de intermetallische verbinding te synthetiseren. De poederdeeltjes hebben onregelmatige vormen.
• Plasma bolvorming?- Onregelmatig Ti3Al-poeder van mechanische legering wordt opnieuw gesmolten in een plasma om bolvormig poeder te genereren.
• Elektrode Induktieplassen Gassen Verstuiven (EIGA)?- Smelt en verstuift een elektrode van Ti3Al rechtstreeks om poeder te produceren.

Door de toepassing van gasstuiven of plasmasmelten heeft men meer controle over de deeltjesgroottedistributie, de morfologie, de opname van zuurstof en de microstructuur. Afhankelijk van de toepassingsvoorwaarden moet het poeder na productie normaal gesproken uit elkaar worden gezeefd in specifieke groottefracties.

Ti3Al-poederkosten

Ti3Al-poeder is aanzienlijk duurder dan alléén titanium- of aluminiumpoeders. Kosten variëren tussen:

• $100- $500 per kg voor 99% zuiverheid gas verstuiven poeder
• $50 - $250 per kg voor 99% mechanisch gelegerd poeder
• $ 300 - $ 1000 per kg voor 99,9% sferoïde plasmapoeder

Prijzen zijn afhankelijk van deeltjesomvang, morfologie, zuiverheidsgraad, orderhoeveelheid en fabrikant. Aangepaste legeringen met speciale samenstellingen kunnen nog meer kosten. De kosten zijn gedaald dankzij hogere productievolumes en procesverbeteringen.

Ti3Al-poederleveranciers

Enkele van de belangrijke wereldwijde leveranciers van Ti3Al-poeder zijn:

Bedrijf	Locatie
AP&C	Canada
TLS Technik GmbH	Duitsland
Meettechniek	VK
ATI Powder Metals	Verenigde Staten
Carpenter Additive	Verenigde Staten
Met3DP	China
Tekna	Canada

Er zijn een paar producenten in China. Het is raadzaam om poeder te kopen bij gevestigde fabrikanten die gebruikmaken van kwalitatieve productieprocessen om een betrouwbare kwaliteit en eigenschappen te waarborgen.

Ti3Al versus Alternatieven

Ti3Al is een concurrerend alternatief voor hoog-temperatuur structurele toepassingen:

Tabel: vergelijking van Ti3Al met andere hooggelegeerde staalsoorten

Legering	Dichtheid	Max. temp.	Kracht	Ductiliteit	Oxidatiebestendigheid	Kosten
Ti3Al	Laag	Heel hoog	Hoog	Laag	Goed	Hoog
Inconel 718	Hoog	Hoog	Medium	Medium	Goed	Medium
Haynes 230	Hoog	Heel hoog	Hoog	Laag	Uitmuntend	Heel hoog
Ti6Al4V	Medium	Medium	Medium	Medium	Uitmuntend	Medium
Ferritische roestvaststaalsoorten	Medium	Medium	Laag	Hoog	Slecht	Laag

Voor maximale servicetemperaturen zijn Ti3Al en nikkelgebaseerde superlegeringen zoals Haynes 230 beter. De lagere dichtheid en prijs van Ti3Al zijn echter voordelig voor gewichtskritische toepassingen zoals in de lucht- en ruimtevaart.

De slechte ductiliteit bij kamertemperatuur van Ti3Al blijft een belangrijk nadeel tegenover staalsoorten en Ti6Al4V. Legering en procesontwikkeling blijven de bewerkbaarheid en fabricagegemak verbeteren.

Voordelen van Ti3Al-poeder

Belangrijke voordelen van het gebruik van Ti3Al-poeder zijn onder andere:

• Hoge sterkte gehandhaafd tot 800¡«C
• Dichtheid 40% lager dan nikkelsuperlegeringen
• Uitstekende kruipweerstand
• Goede oxidatie- en corrosiebestendigheid
• Vervanging vuurvast metaal zonder strategische materiaalrisico's
• Productie van onderdelen met naheffende nettovorm met poedermetallurgie
• Componenten kunnen bij hogere temperaturen werken
• Gewichtsbesparing bij draaiende onderdelen, zoals turbinebladen
• Verbeterde efficiëntie door hogere bedrijfsparameters

De unieke balans van mechanische eigenschappen, lage dichtheid en thermische stabiliteit maken Ti3Al een helpend materiaal voor de volgende generatie ruimtevaart-, auto- en energieopwekkingsystemen.

Beperkingen van Ti3Al-poeder

Ondanks zijn voordelen heeft Ti3Al ook bepaalde nadelen:

• Bros bij kamertemperatuur, de buigzaamheid neemt toe boven 500C
• Fabricage en bewerking zijn een uitdaging
• Snelle afname van de eigenschappen onder 400 ¡«C
• De kosten van grondstof en verwerking zijn erg hoog
• De leveringsketen is beperkt met weinig producenten
• Voor het ontwerpen van componenten is gespecialiseerde technische expertise vereist
• Lastig te lassen of te verbinden met conventionele technieken
• Moeilijk te recyclen en her te gebruiken

Productie- en kostenhorden hebben tot nu toe de brede commerciële toepassing van Ti3Al vertraagd. Maar de capaciteiten ervan blijven inspanningen stimuleren voor ontwikkeling om deze beperkingen te overwinnen via verbeterde legeringssamenstellingen, poederkwaliteit en onderdeelontwerp.

Toekomst voor Ti3Al-poeder

Naar verwachting zal Ti3Al in grotere mate worden toegepast in de luchtvaart-, auto-, industriële gasturbine- en stroomopwekkingssector dankzij:

• Toenemende vraag naar brandstofefficiëntie en lagere emissies voor straalmotoren
• Hogetemperatuurmaterialen benodigd voor elektrische turbochargers
• Groeiende markt voor additieve fabricagetechnologieën
• Focus op strategische materiaalvervanging voor zeldzame aardmetalen en vuurvaste metalen
• Kostenreductie door verbeterde productiviteit in de productie

Automotive en industriële markten zijn meer prijsgevoelig en vereisen een aangetoond kosten-prestatievoordeel ten opzichte van bestaande legeringen. De lucht- en ruimtevaartsector is bereid een hogere prijs te betalen voor maximale prestaties.

Overheidsinitiatieven in de VS, de EU en Japan versnellen R&D naar Ti3Al-poederproductie, componentfabricage, verbindingsmethoden en legeringontwikkeling. Dit zal de toepassingsruimte vergroten en hogere adoptiepercentages stimuleren.

Veelgestelde vragen

V: Waar wordt Ti3Al-poeder voor gebruikt?

A: Ti3Al-poeder wordt gebruikt om componenten met hoge temperaturen te maken, zoals turbinebladen, turbocompressorwielen, warmtewisselaars en andere onderdelen die functioneren bij 500-800 ¡«C. Het biedt een uitstekende balans tussen hoge sterkte, lage dichtheid en goede oxidatiebestendigheid.

V: Hoe wordt Ti3Al-poeder gemaakt?

A: Veelgebruikte productiemethoden zijn onder meer gasatomisatie, plasma-atomisatie, elektrode-inductie smeltgasatomisatie (EIGA) en mechanisch legeren. Elk proces resulteert in verschillende poedereigenschappen die geschikt zijn voor specifieke toepassingen.

V: De eigenschappen van de twee materialen zijn verschillend. Ti3Al is een TiAl-legering met een relatief lage dichtheid, goede mechanische eigenschappen en uitstekende oxidatiebestendigheid bij hoge temperaturen. Het wordt veel gebruikt in luchtvaartmotoren en andere toepassingen met hoge temperaturen. Inconel 718 is een nikkelgebaseerde superlegering met een hoge sterkte, taaiheid en weerstand tegen corrosie en oxidatie. Het wordt veel gebruikt in gasturbines en andere toepassingen met hoge temperaturen. In vergelijking met Inconel 718 heeft Ti3Al een lagere dichtheid en betere oxidatiebestendigheid bij hoge temperaturen. Echter, Ti3Al heeft een lagere sterkte en taaiheid dan Inconel 718. Daarom is de keuze tussen de twee materialen afhankelijk van de specifieke vereisten van de toepassing.

A: Ti3Al heeft een lagere dichtheid, wat zorgt voor een lager gewicht dan Inconel 718. Het heeft een hogere sterkte bij temperaturen boven 700 °C. Echter, de ductiliteit van Ti3Al is bij kamertemperatuur erg laag, terwijl Inconel 718 gemakkelijk kan worden gefabriceerd en bewerkt.

V: Wat is de prijs van Ti3Al-poeder?

A: Ti3Al-poeder kost ongeveer $ 450-750 per kg, wat bijna 5 keer duurder is dan superlegeringen van nikkel en 10 keer meer dan titanium- of aluminiumpoeder. De hoge kosten zijn te wijten aan complexe processen en beperkte marktvraag.

V: Hoe wordt Ti3Al-poeder verwerkt en opgeslagen?

A: net zoals andere reactieve legeringpoeders moet Ti3Al worden beschermd met inert gas en in een vochtvrije ruimte worden opgeslagen. Alleen keramische, glazen of roestvrijstalen containers mogen worden gebruikt. Bij de veiligheidsmaatregelen moet rekening worden gehouden met aarding, ventilatie en adembescherming (PBM).

Q: Wat zijn de uitdagingen bij het gebruik van Ti3Al-poeder?

A: Belangrijke beperkingen zijn slechte buigzaamheid bij kamertemperatuur, hoge materiaalkosten, beperkt aantal leveranciers, moeilijkheden bij bewerken/fabricatie en gebrek aan lastechnologieën. Legeringverbeteringen, procesontwikkelingen en optimalisatie van componentontwerp zijn vereist om het commercieel gebruik uit te breiden.

V: Welke vooruitzichten zijn er voor Ti3Al-poeder?

A: Verwacht wordt dat het gebruik van Ti3Al-poeder aanzienlijk zal toenemen in vliegtuigmotoren, turboladers voor auto’s en industriële toepassingen onder hoge temperaturen. Initiatieven om de kosten te verlagen, de eigenschappen te verbeteren en de productie te verfijnen, zullen een bredere acceptatie mogelijk maken.