Порошок Ti3Al: состав, свойства, сфера применения и многое другое

Некоторые из основных свойств и характеристик порошка Ti3Al включают:

• Высокая прочность при повышенных температурах до 750°C.
• Плотность примерно в два раза меньше, чем у никелевых суперсплавов
• Исключительная коррозионная стойкость
• Низкая плотность по сравнению с другими титановыми сплавами
• Жаростойкость до 700°C
• Износостойкость
• биосовместимостью

Однако Ti3Al также имеет недостатки, такие как плохая пластичность при комнатной температуре, низкая вязкость разрушения и плохая свариваемость. Для оптимизации баланса свойств для разных применений требуются надлежащая обработка и добавление сплавов.

В этой статье представлен подробный обзор состава, свойств, областей применения, поставщиков, расходов, методов испытаний и других технических деталей, связанных с порошком Ti3Al.

Порошковый состав Ti3Al

Порошок Ti3Al имеет номинальный состав 75% титана и 25% алюминия по весу. Интерметаллическое соединение титанового алюминида формируется между 50 и 75 % алюминия, причем Ti3Al является наиболее распространенной версией.

Точный состав может варьироваться в зависимости от метода производства. Другие элементы, такие как Nb, Mo, Si, B, Ta, W, C и O, часто добавляются в небольших количествах для улучшения определенных свойств. В приведенной ниже таблице показан типичный диапазон состава:

Элемент	Весовые %
Титан (Ti)	69 – 76%
Алюминий (Al)	24 – 31%
Ниобий (Nb)	0 – 6%
Молибден (Mo)	0 – 4%
Кремний (Si)	0 – 2%
Бор (B)	0 – 0.5%
Тантал (Ta)	0 – 5%
Вольфрам (W)	0 – 5%
Углерод (C)	0 – 0.1%
Кислород (O)	0 – 0.2%

Контроль содержания кислорода и углерода имеет решающее значение для предотвращения охрупчивания и поддержания пластичности. В зависимости от сырья и процесса могут присутствовать и другие микроэлементы.

Свойства порошка Ti3Al

Уникальные свойства порошка Ti3Al обусловлены его упорядоченной интерметаллической кристаллической структурой, состоящей из атомов титана и алюминия. Ниже перечислены некоторые из наиболее важных свойств:

Высокотемпературная прочность

Ti3Al сохраняет относительно высокую прочность до 750 °C, намного лучше, чем титан или алюминий. Это делает его пригодным для применения в условиях повышенной температуры в двигателях, турбинах, клапанах и т. д. В приведенной ниже таблице сравнивается прочность Ti3Al с другими титановыми сплавами при разных температурах:

Сплав	Прочность при комнатной t (МПа)	Прочность при 500¡«C (МПа)	Плотность (г/см3)
Ti3Al	400	260	3.9
Ti6Al4V	900	500	4.5
Ti64	900	400	4.5

Низкой плотности

При плотности около 3,7–4,1 г/см3 Ti3Al гораздо легче никелевых суперсплавов и большинства других титановых сплавов. Это способствует снижению критической массы компонентов в аэрокосмических приложениях.

Коррозийная устойчивость

Ti3Al обеспечивает хорошую стойкость к окислению до 700 °C на воздухе, лучше, чем нелегированный титан. Это позволяет эксплуатировать его при высоких температурах без чрезмерной потери материала.

Коррозионная стойкость

Титановый компонент придаёт Ti3Al прекрасную устойчивость к коррозии во многих кислотах, щелочах и солевых средах. Это делает этот компонент полезным для химического обрабатывающего оборудования.

Износостойкость

Ti3Al обладает хорошей устойчивостью к истиранию и эрозии, сопоставимой с прочностью сталей, что делает его пригодным для применения в условиях интенсивного износа, таких как клапаны, насосы и экструзионные матрицы.

Однако Ti3Al также страдает от таких недостатков, как:

• Низкая пластичность при комнатной температуре и вязкость разрыва
• Трудно изготовить и обработать
• Плохая свариваемость из-за склонности к растрескиванию

Для оптимизации баланса свойств для предполагаемого применения требуются соответствующая обработка и добавки для легирования.

Применение порошка Ti3Al

Уникальные свойства порошка Ti3Al делают его пригодным для следующих областей применения:

Аэрокосмическая отрасль

Аэрокосмическая промышленность является крупнейшим потребителем продукции Ti3Al из-за необходимости снижения веса, высокой температурной прочности и стойкости к окислению. Типичные области применения включают:

• Лопатки, направляющие лопатки, диски турбины
• Камеры сгорания, форсажные камеры
• Корпуса, конструктивные компоненты
• Гидравлические трубки, клапаны

Автомобильный

Автомобильная промышленность использует Ti3Al в компонентах турбонаддува, клапанах, пружинах, крепежных элементах и деталях выхлопных систем, где необходимая прочность при высокой температуре и меньший вес.

Химическая обработка

Ti3Al используется для компонентов, таких как клапаны, насосы, трубная арматура, реакторы, где требуются коррозионная стойкость в сочетании с высокотемпературными механическими свойствами.

Биомедицина

Биосовместимость, коррозионная стойкость и прочность Ti3Al делают титан пригодным для ортопедических имплантатов, таких как искусственные тазобедренные суставы.

Другие применения включают высокопроизводительные клапаны, фильеры, нагревательные элементы и спортивные товары. Ti3Al также используется в качестве порошка для аддитивного производства.

Технические характеристики порошка Ti3Al

Порошок Ti3Al доступен в разном диапазоне размеров, морфологий и уровней чистоты в зависимости от производственного процесса. Основные характеристики приведены ниже:

Спецификация	подробности
Размер частиц	15–150 микрон
Морфология	Сферический, угловатый, смешанный
Кажущаяся плотность	2 — 3,5 г/см3
Плотность при утрамбовке	3–4,5 г/см3
Чистота	¡Ô99 %, ¡Ô99,9 %
Содержание кислорода	¨P 0,2 мас.%
Содержание азота	¨П 0,05% мас.
Содержание углерода	¨P 0,08% вес.
Содержание железа	¨P 0,30 мас.%
Содержание никеля	¨P 0,10 мас. %
Стандартные пакеты	5 кг, 10 кг, 25 кг

Обычно более мелкие размеры частиц обеспечивают лучшую текучесть, плотность упаковки и реактивность. Сферические морфологии также улучшают распределение порошка. Более высокая чистота снижает содержание загрязняющих веществ и улучшает свойства.

Производство порошка Ti3Al

Существует несколько методов изготовления порошка Ti3Al, в том числе:

• Газовая атомизация?- Расплавленный сплав Ті-Аl распыляется инертным газом в виде тонких капель, которые застывают и превращаются в порошок. При этом образуются сферические частицы с хорошей сыпучестью.
• Механический легирования? - Мелкодисперсные порошки Ti и Al измельчают шаром, чтобы механически синтезировать интерметаллическое соединение. Частицы порошка имеют неправильную форму.
• Плазменное сфероидирование?- Неправильный порошок Ti3Al, полученный в результате механического легирования, подвергается повторному плавлению в плазме для получения сферического порошка.
• Электронно-индукционное плавление с газовой атомизацией (EIGA)?- Прямое плавление и распыление электрода из Ti3Al приводит к образованию порошка.

Газовая атомизация и плазменная обработка обеспечивают улучшенный контроль над распределением размера частиц, морфологией, потреблением кислорода и микроструктурой. Произведенный порошок для удовлетворения требований к применению обычно требуется просеять в определенные фракции размера.

Стоимость Ti3Al порошка

Порошок Ti3Al значительно дороже, чем алюминиевые или титановые порошки по отдельности. Стоимость варьируется от:

• $100 – $500 за килограмм для порошка, атомизированного газом, с чистотой 99%.
• 50–250 долл. США за кг порошка механического сплава марки 99%
• 300–1000 долларов США за кг для 99,9% сферического порошка плазмы

Цены зависят от размера частиц, морфологии, уровня чистоты, количества заказа и производителя. На заказные сплавы со специальными композициями могут быть даже выше. Стоимость снижается за счет увеличения объемов производства и усовершенствования технологических процессов.

Поставщики порошка Ti3Al

Некоторые крупные мировые поставщики порошка Ti3Al включают:

Компания	Местоположение
AP&C	Канада
TLS Technik GmbH	Германия
Металлотехнология	Соединённое Королевство
ATI Порошковые металлы	США
Carpenter Additive	США
Met3DP	Китай
Текна	Канада

Есть также несколько производителей в Китае. Рекомендуется закупать порошок у устоявшихся изготовителей, которые используют квалифицированные производственные процессы, чтобы обеспечить надежное качество и свойства.

Ti3Al против альтернатив

Ti3Al конкурирует с несколькими альтернативами для высокотемпературных конструкционных применений:

Таблица: Сравнение Ti3Al с другими высокотемпературными сплавами.

Сплав	Плотность	Макс. Температура	Сила	Пластичность	Коррозийная устойчивость	Цена
Ti3Al	Низкий	Очень высокий	Высок	Низкий	Хорошо	Высок
Инконель 718	Высок	Высок	Средний	Средний	Хорошо	Средний
Haynes 230	Высок	Очень высокий	Высок	Низкий	Отличный	Очень высокий
Ti6Al4V	Средний	Средний	Средний	Средний	Отличный	Средний
Ферритные нержавеющие стали	Средний	Средний	Низкий	Высок	Бедный	Низкий

Для максимальных рабочих температур титаналлюминд (Ti3Al) и жаропрочные суперсплавы на основе никеля, например Haynes 230, превосходны. Однако более низкая плотность и стоимость Ti3Al выгодны для критических по весу применений, таких как воздухоплавание.

Плохая пластичность Ti3Al при комнатной температуре остается ключевым ограничением по сравнению со сталью и Ti6Al4V. Разработке сплавов и процессом продолжают совершенствовать обрабатываемость и изготавливаемость.

Преимущества порошка Ti3Al

Основные преимущества использования порошка Ti3Al включают в себя:

• Высокая прочность, поддерживаемая до 800 ¡«С
• Плотность на 40% ниже, чем у никелевых суперсплавов
• Отличная ползучестойкость
• Хорошая стойкость к окислению и коррозии
• Замена тугоплавкого металла без стратегических рисков для материалов
• Изготовление деталей почти чистой формы методом порошковой металлургии
• Компоненты могут работать при более высоких температурах
• Экономия массы в роторных деталях, таких как лопатки турбины
• Повышение эффективности благодаря увеличению рабочих параметров

Уникальный баланс механических свойств, низкой плотности и термической стабильности делает Ti3Al основным материалом для применения в аэрокосмической, автомобильной и энергетической отраслях будущего поколения.

Ограничения порошка Ti3Al

Несмотря на свои достоинства, Ti3Al также имеет ряд недостатков:

• Хрупкий при комнатной температуре, пластичность улучшается при температуре 500¡«C
• Изготовление и обработка на станках представляет собой сложную задачу
• Быстрая потеря свойств ниже 400C
• Расходы на сырье и переработку очень высоки
• Цепочка поставок ограничена несколькими производителями
• Разработка компонентов требует специализированных инженерных знаний
• Трудно свариваемые или соединяемые с использованием обычных технологий
• Трудно переработать и повторно использовать

Из-за проблем, связанных с производством и затратами, массовое использование Ti3Al было замедлено. Но его возможности продолжают стимулировать разработки, призванные преодолеть эти ограничения, за счет улучшенных свойств сплава, качества порошкового материала и конструкции компонентов.

Перспективы использования порошка Ti3Al

Ожидается расширение использования сплава Ti3Al в аэрокосмической, автомобильной промышленности, промышленном газотурбинном двигателе и секторах производства энергии, что связано со следующим:

• Растущий спрос на топливную эффективность для авиационных двигателей с более низким уровнем выбросов
• Высокотемпературные материалы для электрических турбокомпрессоров
• Растущий рынок технологий аддитивного производства
• Сосредоточьтесь на стратегическом замещении редкоземельных и тугоплавких металлов
• Снижение издержек за счет повышение производственной эффективности

Автомобильный и промышленный рынки более чувствительны к цене и требуют доказанных стоимостно-технических преимуществ по сравнению с существующими сплавами. Аэрокосмическая отрасль больше готова платить премиум за максимальную производительность.

Правительственные инициативы в США, ЕС и Японии ускоряют исследования и разработки в области производства порошка Ti3Al, изготовления компонентов, методов соединения и разработки сплавов. Это расширит возможности применения и приведет к более высоким темпам внедрения.

Часто задаваемые вопросы

В: Для чего используется порошок Ti3Al?

A: Порошок Ti3Al используется для изготовления высокотемпературных компонентов, таких как лопатки турбин, колеса турбокомпрессоров, теплообменников и других деталей, работающих при температуре от 500 до 800 °C. Он обеспечивает превосходное сочетание высокой прочности, низкой плотности и хорошей стойкости к окислению.

В: Как производится порошок Ti3Al?

A: Распространенные методы производства включают газовое распыление, плазменное распыление, индукционную плавку электродов с газовым распылением (EIGA) и механическое легирование. Каждый процесс приводит к различным характеристикам порошка, подходящим для определенных применений.

Вопрос: Порошок Ti3Al лучше, чем Inconel 718?

A: Ti3Al обладает меньшей плотностью, поэтому обеспечивает уменьшение веса по сравнению с Inconel 718. Он обладает повышенной прочностью при температурах выше 700 °C. Однако пластичность Ti3Al при комнатной температуре довольно низкая, в то время как Inconel 718 можно легко обрабатывать и фрезеровать.

В: Какова стоимость порошка Ti3Al?

А: Стоимость порошка Ti3Al составляет около 450–750 долларов за кг, что почти в 5 раз дороже, чем никелевые суперсплавы, и в 10 раз дороже порошков титана или алюминия. Высокая стоимость обусловлена сложной обработкой и ограниченным рыночным спросом.

В: Как можно обработать и хранить порошок Ti3Al?

А. Подобно другим реакционноспособным порошкам сплавов, Ti3Al требует хранения в среде инертного газа и без влаги. Следует использовать только керамические, стеклянные или нержавеющие контейнеры. Меры предосторожности включают заземление, вентиляцию и респираторные средства индивидуальной защиты.

В: Какие существуют трудности при использовании порошка Ti3Al?

A: Ключевые ограничения — низкая пластичность при комнатной температуре, высокие затраты на материал, ограниченное количество поставщиков, трудности механической обработки/изготовления и отсутствие технологий соединения. Для расширения коммерческого использования требуются улучшения сплава, совершенствование процессов и оптимизация компоновки.

Q: Каковы перспективы будущего для порошка Ti3Al?

A: По прогнозам, использование порошка Ti3Al значительно возрастет в авиационных двигателях, автомобильных турбокомпрессорах и высокотемпературных промышленных применениях. Мероприятия по снижению затрат, улучшению свойств и разработке производства позволят расширить внедрение.