Proszek Ti3Al: Skład, Właściwości, Zastosowania i więcej

Niektóre z podstawowych właściwości i cech proszku Ti3Al to:

• Wysoka wytrzymałość w podwyższonych temperaturach, aż do 750°C
• Gęstość około o połowę mniejsza niż nadstopów niklowych
• Znakomita odporność na korozję
• Niska gęstość w porównaniu do innych stopów tytanu
• Odporność na utlenianie do około 700¡«C
• Odporność na zużycie
• biokompatybilność

Jednak Ti3Al ma także ograniczenia, takie jak słaba plastyczność w temperaturze pokojowej, niska odporność na pękanie i słaba spawalność. Odpowiednie przetwarzanie i dodatki stopowe są wymagane w celu optymalizacji równowagi właściwości w różnych zastosowaniach.

Ten artykuł przedstawia szczegółowy przegląd składu, właściwości, zastosowań, dostawców, kosztów, metod testowania i innych szczegółów technicznych związanych z proszkiem Ti3Al.

Skład proszku Ti3Al

Proszek Ti3Al ma nominalny skład 75% tytanu i 25% aluminium (ciężarowy). Intermetaliczny związek Aluminidu Tytanu tworzy się pomiędzy 50-75% aluminium, gdzie Ti3Al jest wersją najczęściej spotykaną.

Dokładny skład może się różnić w zależności od metody produkcji. Inne elementy, takie jak Nb, Mo, Si, B, Ta, W, C i O są często dodawane w małych ilościach w celu poprawy pewnych właściwości. Poniższa tabela przedstawia typowy zakres składu:

Element	Waga %
Tytan (Ti)	69 – 76%
Aluminium (Al)	24 – 31%
Niob (Nb)	0 – 6%
Molybden (Mo)	0 – 4%
Krzem (Si)	0 – 2%
Bor (B)	0 – 0.5%
Tantal (Ta)	0 – 5%
Wolfram (W)	0 – 5%
Węgiel (C)	0 – 0.1%
Tlen (O)	0 – 0.2%

Kontrola tlenu i węgla jest krytyczna dla uniknięcia kruchości i zachowania ciągliwości. Mogą również występować inne pierwiastki śladowe, w zależności od surowców i procesu.

Właściwości sproszkowanego stopu Ti3Al

Niepowtarzalne właściwości proszku Ti3Al wynikają z jego uporządkowanej kryształowej struktury metalopochodnej, złożonej zarówno z atomów tytanu, jak i aluminium. Niektóre z uwagi godnych właściwości obejmują:

Wytrzymałość wysokotemperaturowa

Ti3Al zachowuje stosunkowo wysoką wytrzymałość do 750 °C, znacznie lepszą niż sam tytan lub aluminium. Dzięki temu nadaje się do zastosowań w podwyższonych temperaturach w silnikach, turbinach, zaworach itp. Poniższa tabela porównuje wytrzymałość Ti3Al z innymi stopami tytanu w różnych temperaturach:

Stop	Wytrzymałość przy temp. pokojowej (MPa)	Wytrzymałość przy 500°C (MPa)	Gęstość (g/cm3)
Ti3Al	400	260	3.9
Ti6Al4V	900	500	4.5
Ti64	900	400	4.5

Niska gęstość

Przy gęstości 3,7 − 4,1 g/cm3, Ti3Al jest znacznie lżejsze niż nadstopy niklu oraz większość tytanu. Pomaga to ograniczyć masę komponentów, co ma znaczenie w zastosowaniach lotniczych.

Odporność na utlenianie

Ti3Al ma dobrą odporność na utlenianie w powietrzu do 700 °C, lepszą niż niealiowany tytan. Dzięki temu może pracować w wysokich temperaturach bez nadmiernej utraty materiału.

Odporność przeciwkorozyjna

Zawartość tytanu zapewnia Ti3Al doskonałą odporność na korozję w wielu rodzajach kwasów, zasad, a także w środowiskach zasolonych. Sprawia to, że jest przydatny w sprzęcie do przetwórstwa chemicznego.

Odporność na zużycie

Ti3Al posiada dobrą odporność na zużycie ścierne i erozyjne porównywalną do stali, dzięki czemu nadaje się do zastosowań połączonych z dużym zużyciem, takich jak zawory, pompy i matryce do wytłaczania.

Ti3Al ma jednak też wady, jak na przykład:

• Niska plastyczność w temperaturze pokojowej i odporność na pękanie
• Trudne do produkcji i obróbki
• Słaba spawalność ze względu na podatność na pękanie

Aby zoptymalizować bilans właściwości pod kątem zamierzonego zastosowania, wymagane jest właściwe przetwarzanie i dodawanie stopów.

Zastosowania proszku Ti3Al

Unikalne właściwości proszku Ti3Al sprawiają, że nadaje się on do następujących zastosowań:

Astronautyka

Przemysł lotniczy jest największym konsumentem wyrobów z Ti3Al ze względu na potrzebę oszczędzania wagi, wytrzymałości w wysokiej temperaturze i odporności na utlenianie. Typowe zastosowania obejmują:

• Wirnik łopatki, łopatki, dyski
• Komory spalania, dopalacze
• Konstrukcje płatowców, elementy konstrukcyjne
• Rurki, zawory hydrauliczne

Motoryzacja

Przemysł motoryzacyjny wykorzystuje Ti3Al do produkcji części turbosprężarki, zaworów, sprężyn, elementów złącznych i układów wydechowych, które wymagają wysokiej wytrzymałości temperaturowej i niskiej wagi.

Przetwórstwo chemiczne

Ti3Al jest stosowany w komponentach takich jak zawory, pompy, kształtki rur, zbiorniki reaktorowe, które wymagają odporności na korozję w połączeniu z właściwościami mechanicznymi w wysokiej temperaturze.

Biomedycyna

Biokompatybilność, odporność na korozję i wytrzymałość Ti3Al sprawiają, że nadaje się on do implantów ortopedycznych, takich jak sztuczne stawy biodrowe.

Inne zastosowania obejmują wysokowydajne zawory, trzpienie ekstruzyjne, elementy grzejne i sprzęt sportowy. Ti3Al jest również używany jako proszek do produkcji przyrostowej.

Specyfikacja Ti3Al Powder

Proszek Ti3Al ma różne zakresy wymiarów, morfologii i poziomy czystości w zależności od procesu produkcji. Poniżej podano kluczowe specyfikacje:

Specyfikacja	Szczegóły
Wielkość cząsteczek	15–150 mikronów
Morfologia	Kuliste, kanciaste, mieszane
Gęstość Nasypowa	2 – 3,5 g/cm3
Gęstość usypu	3–4,5 g/cm3
Czystość	¡Ô99%, ¡Ô99.9%
Zawartość tlenu	¨P 0,2% wag.
Zawartość azotu	¨P 0,05 % wag.
Zawartość węgla	P% 0,08 wag
Zawartość żelaza	¨P 0,30% wag
Zawartość niklu	¨P 0,10 %wag
Pakiety standardowe	5 kg, 10 kg, 25 kg

Drobniejsze rozmiary cząstek ogólnie zapewniają lepszą sypkość, gęstość upakowania i reaktywność. Kuliste morfologie również poprawiają sypkość proszku. Większa czystość ogranicza zanieczyszczenia i poprawia właściwości.

Produkcja proszku Ti3Al

Istnieje kilka metod produkcji proszku Ti3Al, w tym:

• Atomizacja gazu?- Roztopiona stop Ti-Al jest rozpylana gazem obojętnym na drobne kropelki, które po zestaleniu stają się proszkiem. W ten sposób powstają kuliste cząstki o dobrej płynności.
• Mechaniczne stopowanie?- Elementarne proszki Ti i Al są mielone kulowe, aby zsyntetyzować intermetaliczny związek mechanicznie. Cząstki proszku mają nieregularne kształty.
• Sferoidalizacja plazmy?- Nieregularny proszek Ti3Al z mechanicznego stopowania przetapia się w plazmie, aby uzyskać proszek kulisty.
• Atomizacja gazowa elektroindukcyjnego topienia (EIGA)?- bezpośrednio topi i atomizuje elektrodę Ti3Al, aby wytworzyć proszek.

Atomizacja gazowa i obróbka plazmowa zapewniają lepszą kontrolę nad rozkładem wielkości cząstek, morfologią, poborem tlenu i mikrostrukturą. Zwykle konieczne jest przesiewanie proszku w celu uzyskania określonych frakcji wielkości na podstawie wymogów aplikacji.

Koszt proszku Ti3Al

Proszek Ti3Al jest znacznie droższy niż czyste proszki tytanu lub aluminium. Koszty wahają się w granicach:

• $100 - $500 za kg dla proszku atomizowanego gazem o czystości 99%.
• 50-250 USD za kg za 99% proszek stopu mechanicznie stopowanego
• 300–1000 USD/kg za 99.9% proszku plazmowego sferoidyzowanego

Ceny zależą od wielkości cząsteczek, morfologii, poziomu czystości, ilości zamówienia i producenta. Niestandardowe stopy o specjalnym składzie mogą kosztować jeszcze więcej. Koszty maleją dzięki zwiększeniu objętości produkcji i ulepszeniu procesów.

Dostawcy proszku Ti3Al

Niektórzy z głównych światowych dostawców proszku Ti3Al obejmują:

Firma	Lokalizacja
AP&C	Kanada
TLS Technik GmbH	Niemcy
Technologia metalu	Wielka Brytania
ATI Powder Metals	USA
Carpenter Additive	USA
Met3DP	Chiny
Tekna	Kanada

Istnieją także kilku producentów w Chinach. Zaleca się zamawianie proszku od uznanych producentów wykorzystujących pewne procesy produkcji, aby zapewnić niezawodną jakość i właściwości.

Ti3Al contra alternatywy

Ti3Al jest konkurencją dla kilku innych materiałów w zastosowaniach konstrukcyjnych w wysokich temperaturach:

Tabela: Porównanie stopu Ti3Al z innymi stopami wysokotemperaturowymi

Stop	Gęstość	Maksymalna temperatura	Siła	Kowalność	Odporność na utlenianie	Koszt
Ti3Al	Niski	Bardzo wysokie	Wysoki	Niski	Dobrze	Wysoki
Inconel 718	Wysoki	Wysoki	Średnie	Średnie	Dobrze	Średnie
Haynes 230	Wysoki	Bardzo wysokie	Wysoki	Niski	Wyśmienicie	Bardzo wysokie
Ti6Al4V	Średnie	Średnie	Średnie	Średnie	Wyśmienicie	Średnie
Stale nierdzewne ferrytyczne	Średnie	Średnie	Niski	Wysoki	Biedny	Niski

Do maksymalnych temperatur pracy Ti3Al i stopy na bazie niklu takie jak Haynes 230 są lepsze. Jednakże niższa gęstość i koszt Ti3Al są korzystne w przypadku zastosowań krytycznych pod względem wagi, takich jak lotnictwo.

Słaba podatność na odkształcenie Ti3Al w temperaturze pokojowej pozostaje kluczowym ograniczeniem w porównaniu ze stalami i Ti6Al4V. Rozwój stopów i procesów nadal poprawia obrabialność i podatność na obróbkę.

Zalety proszku Ti3Al

Główne korzyści wynikające z używania proszku Ti3Al obejmują:

• Wysoka wytrzymałość utrzymywana do 800¡«C
• Gęstość o 40% niższa niż stopów na bazie niklu
• Doskonała odporność na pełzanie
• Dobra odporność na utlenianie i korozję
• Zastępowanie metali ogniotrwałych bez strategicznego ryzyka materiałowego
• Produkcja kształtu zbliżonego do końcowego za pomocą metalurgii proszków
• Elementy mogą działać przy wyższych temperaturach
• Oszczędności masy w częściach obrotowych, takich jak łopatki turbin
• Poprawiona wydajność dzięki wyższym parametrom operacyjnym

Unikalna równowaga właściwości mechanicznych, małej gęstości i stabilności termicznej sprawia, że Ti3Al jest materiałem umożliwiającym zastosowanie układów wspomagania lotnictwa, motoryzacji i zasilania nowej generacji.

Ograniczenia proszku Ti3Al

Mimo oczywistych zalet Ti3Al wykazuje również pewne wady:

• Kruche w temperaturze pokojowej, ciągliwość ulega poprawie powyżej 500¡«C
• Proces wytwórczy i obróbka są wymagające
• Szybka utrata właściwości poniżej 400°C
• Koszty surowców i przetwórstwa są bardzo wysokie
• Łańcuch dostaw jest ograniczony przez niewielką liczbę producentów
• Projektowanie komponentów wymaga specjalistycznej wiedzy inżynierskiej
• Trudno spawalne lub łączone za pomocą konwencjonalnych technik
• Trudne do przetworzenia i ponownego użycia

Dotychczasowe trudności produkcyjne i kosztowe spowolniły szerokie zastosowanie handlowe Ti3Al. Jednak jego możliwości nadal napędzają działania rozwojowe mające na celu przezwyciężenie tych ograniczeń poprzez ulepszoną chemię stopów, jakość proszku i konstrukcję komponentu.

Perspektywy dla proszku Ti3Al

Prognozuje się, że Ti3Al znajdzie szersze zastosowanie w sektorach lotnictwa i kosmonautyki, motoryzacji, turbin gazowych przemysłowych i generacji energii z powodu:

• Rosnące zapotrzebowanie na paliwo lotnicze o wysokiej sprawności paliwowej i niskiej emisji
• Wysokotemperaturowe materiały potrzebne do turbodoładowań elektrycznych
• Wzrostowy rynek dla technologii produkcji przyrostowej
• Skupić się na strategicznym zastępowaniu materiałów ziem rzadkich i metali ogniotrwałych
• Redukcja kosztów dzięki zwiększeniu wydajności produkcji

W przypadku rynków samochodowych i przemysłowych klienci są bardziej wrażliwi na cenę i wymagają wyraźnych korzyści cenowo-użytkowych w porównaniu z istniejącymi stopami. Sektor lotniczy jest bardziej skłonny zapłacić premię za maksymalną wydajność.

Inicjatywy rządowe w Stanach Zjednoczonych, UE i Japonii przyspieszają prace w zakresie badań i rozwoju produkcji proszku Ti3Al, wytwarzania komponentów, metod łączenia i rozwoju stopów. To poszerzy zakres zastosowania i przyspieszy tempo wdrażania.

Często zadawane pytania

P: Do czego jest stosowany proszek Ti3Al?

A: Proszek Ti3Al jest wykorzystywany do produkcji wysokotemperaturowych elementów, takich jak łopatki turbinowe, koła turbosprężarek, wymienniki ciepła i inne części, które pracują w temperaturach od 500 do 800¡«C. Zapewnia on doskonałą równowagę wysokiej wytrzymałości, niskiej gęstości i dobrej odporności na utlenianie.

P: Jak powstaje proszek Ti3Al?

A: Do powszechnych metod wytwarzania należą atomizacja gazowa, atomizacja plazmowa, atomizacja gazowa w elektrodzie indukcyjnej (EIGA) i stopowanie mechaniczne. Każdy proces skutkuje innymi właściwościami proszku dostosowanymi do określonych zastosowań.

Pytanie: Czy proszek Ti3Al jest lepszy niż Inconel 718?

A: Ti3Al ma mniejszą gęstość, dzięki czemu zapewnia oszczędność wagi w porównaniu z Inconelem 718. Posiada większą wytrzymałość w temperaturach powyżej 700 °C. Jednakże ciągliwość w temperaturze pokojowej Ti3Al jest dość niska, podczas gdy Inconel 718 może być łatwo obrabiany i frezowany.

P: Jaki jest koszt proszku Ti3Al?

A: Ti3Al kosztuje około 450-750 dolarów za kg, co jest prawie 5 razy więcej niż superstopy niklu i 10 razy więcej niż tytan lub proszek aluminium. Wysoki koszt wynika ze złożonego przetwarzania i ograniczonego popytu rynkowego.

Q: Jak postępować z proszkiem Ti3Al i przechowywać go?

A: Podobnie jak inne reaktywne proszki stopów, Ti3Al wymaga kocowania gazami obojętnymi i przechowywania w środowisku wolnym od wilgoci. Należy stosować wyłącznie pojemniki ceramiczne, szklane lub ze stali nierdzewnej. Środki ostrożności obejmują uziemienie, wentylację i środki ochrony osobistej dróg oddechowych.

P: Jaka jest trudność ze stosowaniem proszku Ti3Al?

A: Głównymi ograniczeniami są niska ciągliwość w temperaturze pokojowej, wysokie koszty materiałowe, ograniczona liczba dostawców, trudności w obróbce maszynowej/produkcji oraz brak technologii łączenia. Niezbędne są usprawnienia stopów, rozwój procesów i optymalizacja projektu komponentów, aby zwiększyć komercyjne zastosowanie.

P: Jakie są przyszłe perspektywy dla proszku Ti3Al?

A: Przewidywany jest znaczny wzrost wykorzystania proszku Ti3Al w silnikach lotniczych, turbosprężarkach samochodowych i wysokich temperaturach zastosowań przemysłowych. Inicjatywy mające na celu obniżenie kosztów, poprawę właściwości i dojrzałą produkcję umożliwią szerszą akceptację.