Порошок из сплава TiNb

Введение в порошок титано-ниобиевого сплава

Порошок сплава TiNb состоит из титана и Ниобий металлы. Это уникальное сочетание высокой прочности, низкой плотности, биосовместимости, коррозионной стойкости, усталости и ползучести при высоких температурах.

Сплавы TiNb относятся к более широкому классу интерметаллических материалов на основе титана, которые обладают улучшенными физическими, химическими и механическими свойствами по сравнению с чистым титаном. Добавление в сплав ниобия улучшает определенные свойства и позволяет адаптировать сплавы TiNb для конкретных условий эксплуатации.

Некоторые ключевые преимущества порошка сплава TiNb включают:

• Высокое отношение прочности к массе
• Возможность выдерживать экстремальные температуры и нагрузки
• Устойчивый к износу, истиранию и коррозии в агрессивных средах
• Биосовместим и нетоксичен для медицинского использования
• Может разрабатываться в формы сложной конфигурации с помощью аддитивного производства
• Обеспечивает гибкость проектирования для инженеров

Сплавы TiNb конкурируют с жаропрочными сверхсплавами на основе никеля и кобальта в аэрокосмической промышленности. Они также предлагают альтернативу нержавеющим сталям для биомедицинских имплантатов и устройств. Сплавы TiNb позволяют внедрять новые приложения и конструкции, невозможные с другими материалами.

В этой статье дается техническая справка по составу, свойствам, обработке, применению, спецификациям, затратам и другим практическим аспектам порошка сплава TiNb.

Состав порошка сплава TiNb

Сплавы TiNb в основном содержат титан и ниобий как ключевые составные элементы. Содержание ниобия обычно колеблется от 10 до 50% по массе, а остальное приходится на титан.

Соотношение титана к ниобию можно регулировать для создания различных марок сплавов TiNb, оптимизированных для определенных свойств. Некоторые распространенные марки сплава TiNb включают в себя:

• Ti-10Nb – 10% ниобия, 90% титана
• Ti-35Nb – 35 % ниобия, 65 % титана
• Ti-45Nb - 45% ниобия, 55% титана
• Ti-50Nb — 50% ниобия, 50% титана

Кроме того, для дальнейшего улучшения свойств могут быть добавлены небольшие количества других элементов, таких как цирконий, тантал, молибден, хром. В качестве примесей также могут присутствовать кислород и азот.

Таблица 1: Химический состав общих сортов сплава TiNb

Марки сплава	Содержание ниобия	Содержание титана
Ti-10Nb	10%	90%
Ti-35Nb	35%	65%
Ti-45Nb	45%	55%
Ti-50Nb	50%	50%

Контроль состава критически важен для получения требуемых свойств в конечном продукте из сплава TiNb. Технологии порошковой металлургии позволяют осуществлять точное смешивание составляющих металлов в исходном материале для порошкового сплава.

Свойства порошка сплава TiNb

Сплавы TiNb демонстрируют ряд полезных физических, механических и химических свойств, которые делают их пригодными для высокопроизводительных применений. Вот некоторые из ключевых свойств:

Физические свойства

• Плотность — от 4,5 до 5,5 г/см³, меньше, чем у сплавов стали и никеля
• Температура плавления: от 1550 до 1750 °C в зависимости от состава
• Электрическое сопротивление – от 0,5 до 0,6 мкОм*м, выше, чем у чистого титана
• Теплопроводность — от 6 до 22 Вт/м·К, ниже, чем у титана.

Механические свойства

• Прочность на растяжение – 500–1100 МПа, увеличивается вместе с содержанием ниобия
• Предел текучести – от 300 до 900 МПа
• Удлинение — от 10 % до 25 %
• Твердость - 200 - 350 HV
• Предел усталости – 400-600 МПа

Другие свойства

• Коррозионная стойкость - Отличная за счет защитного оксидного слоя
• Износостойкость — выше, чем у титана, за счет твердости
• Биосовместимость — нетоксичный и неаллергенный

Регулируя соотношение Ti/Nb, можно оптимизировать свойства, такие как прочность, пластичность, твёрдость и модуль упругости в соответствии с требованиями применения.

Таблица 2. Типичные свойства сплава Ti-35Nb

Имущество	Ценность
Плотность	5,2 г/см3
Температура плавления	1600-е
Прочность на растяжение	650 МПа
Предел текучести	550 МПа
Удлинение	15%
Модуль упругости	60 ГПа
Твердость	250 кВ

Применения порошка сплава TiNb

Уникальные свойства сплавов TiNb делают их соответствующими для использования в требовательных приложений в различных отраслях:

Аэрокосмическая отрасль

• Компоненты двигателя – лопатки, диски, крепежные элементы
• Детали планера — шасси, крылья, фюзеляж
• Гидравлические системы: насосы, клапаны, приводы

Автомобильный

• Пружины клапанов, клапаны двигателя
• Шатуны, роторы турбокомпрессора
• Компоненты гоночного двигателя

Биомедицина

• Ортопедические имплантаты - колено, бедро
• Дентальные имплантаты, коронки
• Хирургические инструменты
• Медицинские устройства

Химическая промышленность

• Теплообменники, реакторы
• Насосы, клапаны, трубы
• Оборудование, стойкое к коррозии

Другие приложения

• Товары для спорта – клюшки для гольфа, рамы для велосипедов
• Элитные часы и ювелирные украшения
• Электрические контакты и соединители
• Высокотемпературных детали печи

Сочетание прочности, термостойкости, коррозионной стойкости и биосовместимости позволяет сплавам титана и ниобия заменять более тяжелые материалы во всех этих отраслях.

Таблица 3: Применение сплава TiNb в промышленности

Промышленность	ПРИМЕНЕНИЯ
Аэрокосмическая отрасль	Компоненты двигателя, части планера, гидравлические системы
Автомобильный	Пружины клапана, клапаны двигателя, соединительные стержни
Биомедицина	Импланты, стоматологические, хирургические инструменты, устройства
Химический	Теплообменники, реакторы, насосы, клапаны
Другое	Спортивные товары, часы, электрические контакты, детали для печи

Обработка порошка сплава TiNb

Порошок сплава TiNb можно получить с помощью различных способов обработки:

Сплавление металлических порошков

• элементарные порошки титана и ниобия смешиваются вместе в требуемом составе
• смесь порошков механически легируется с образованием порошкового сплава TiNb

Газовая атомизация

• Таящийся сплав TiNb распыляется инертным газом на мелкие капельки.
• капли затвердевают в частицы сферического порошка сплава

Технология плазменно-вращающегося электрода (PREP)

• Электроды из сплава TiNb расплавляются с применением плазменно-дуговой сварки и вращаются на высокой скорости
• центробежная сила приводит к тому, что капли разрываются и затвердевают, превращаясь в частицы

Метод гидрид-дегидрид (HDH)

• Металлы Ti и Nb превращаются в хрупкие порошки гидридов
• Гидридные порошки сортируют, удаляют из них водород, дробят и просеивают

Размер частиц, морфология, текучесть и микроструктура порошка могут быть контролируемыми при выборе соответствующего процесса изготовления. Это влияет на конечные свойства после уплотнения.

Таблица 4: Способы получения порошка сплава TiNb

Метод	Описание	Размер частиц	Морфология
Механический легирования	Смешивание и измельчение порошков Ti и Nb	10-50 микрон	Неправильный, угловатый
Газовая атомизация	Атомизация инертным газом расплавленного сплава	15–150 микрон	Сферический
Плазменный вращающийся электрод	Центробежное разбрызгивание расплавленного электрода	50–150 микрометров	Сферический
Технологический процесс HDH	Гидрирование, дегидрирование, измельчение смешанных порошков	10 — 63 микрона	Неправильный, угловатый

Консолидация порошка сплава TiNb

Порошкообразный сплав TiNb может быть преобразован в полноплотные компоненты с применением различных методов консолидации порошковой металлургии:

Горячее изостатическое прессование (ГИП)

• закапсулированный порошок обрабатывается методом HIP при высокой температуре и давлении

Вакуумное спекание

• порошок уплотняется и спекается в вакуумной печи

Импульсное плазменное спекание

• порошок одновременно нагревается и сжимается импульсным постоянным током

Литье с впрыском металла (MIM)

• порошок смешивают со связкой, формуют, удаляют связующее и спекают

аддитивное производство

• плавление порошкового слоя (SLM, EBM) или направленное осаждение энергии (DED)

Горячее изостатическое прессование и вакуумное спекание позволяют достичь практически полной плотности с сохранением мелкой микроструктуры. Аддитивное производство обеспечивает большую геометрическую свободу. Процесс консолидации может быть оптимизирован для достижения желаемых свойств.

Таблица 5: Способы консолидации порошка сплава TiNb

Метод	Описание	Плотность	Микроструктура	Геометрия
HIP	Высокое давление, высокая температура	Почти полная плотность	Штраф	Простые формы
Вакуумное спекание	Спекание в вакуумной печи	Почти полная плотность	Штраф	Простые формы
Импульсное плазменное спекание	Импульсный ток и давление	Полной плотности	Сверхтонкий	Простые формы
Литье с впрыскиванием металла	Формование с порошком + связующее	Почти полная плотность	Сверхтонкий	Сложные формы
аддитивное производство	Порошковое спекание плавлением или направленное осаждение энергии	Почти полная плотность	Грубый/непристойный	Сложные формы

Технические характеристики порошка сплава TiNb

Порошок из сплава TiNb доступен в различных спецификациях, разработанных для различных применений:

Композиции: Сорта с содержанием 10–50% ниобия

Размер частиц: 10-150 микрон

Морфология: Сферические, неправильной формы или смешанные

Метод изготовления: Атомизированный газом, HDH, смешанный элементный

Чистота: >99,5% титана, >99,8% ниобия

Содержание кислорода: <2000 ppm

Сыпучесть: Скорость заливки в зал > 23 сек/50 г

Кажущаяся плотность: 密度：2,5 г / см3

Плотность осадка: Около 3.5 г/см³

Химический состав, распределение размеров частиц, морфология, скорость потока и плотность — это обычно указываемые свойства. Для специальных применений можно производить специальные сплавы и порошкообразные спецификации.

Таблица 6: Типичная спецификация для порошка Тi-35Nb, полученного методом газовой атомизации

Параметр	Спецификация
Состав сплава	Ti-35Nb
Размер частиц	От 15 до 45 мкм
Морфология	Сферический
Метод производства	Газовая атомизация
Чистота	Ti >99,5%, Nb >99,8%
Содержание кислорода	<1500 ч./млн
Расход	>38 сек/50г
Кажущаяся плотность	¡Ô 2,7 г/см³
Плотность при утрамбовке	4.2 г/см³

Поставщики порошка титано-ниобиевого сплава

Вот некоторые ведущие мировые поставщики порошка сплава титана и ниобия:

• AP&C — порошки, сплавы титана и ниобия
• Atlantic Equipment Engineers — сферические и угловатые порошки
• TLS Technik – газоатомизированные сплавы TiNb
• Металлическая технология - смешанные элементарные и предварительно легированные порошки
• Sandvik Osprey — сферические порошки, полученные газовой атомизацией
• Carpenter Additive – индивидуальные порошки сплавов

Сплавы TiNb также предлагаются поставщиками титановых и ниобиевых металлов. Оба стандартных сплава и составы по заказу могут быть поставлены этими производителями порошков.

Таблица 7: Поставщики порошка сплава TiNb

Компания	Материалы	Способы производства
AP&C	Сплавы титана, ниобия и титан-ниобия	Газовая атомизация
Atlantic Equipment Engineers	Сплавы титана, ниобия и титан-ниобия	Газовая атомизация, смешивание
TLS Технология	сплавы TiNb	Газовая атомизация
Металлотехнология	сплавы TiNb	Смешанный элементарный, предварительно сплавленный
Sandvik Osprey	сплавы TiNb	Газовая атомизация
Carpenter Additive	Индивидуальные сплавы TiNb	Газовая атомизация

Цена порошка титаново-ниобиевого сплава

Порошок сплава TiNb будет дороже, чем порошок только титана или ниобия. Стоимость зависит от:

• Состав Содержание Nb выше — увеличение затрат
• Чистота – стоимость растет с увеличением чистоты
• Размер и распределение частиц
• Метод производства - порошок, полученный газоатомным методом, обходится дороже.
• Количество заказов — объем партии большого размера обойдется дешевле

Ориентировочные цены на порошок сплава TiNb в небольших количествах:

• Ti-10Nb: от 100 до 300 долларов за кг
• Ti-35Nb: $200-$500 за кг
• Ti-50Nb: от 300 до 800 долларов США за кг

Цена значительно снижается для оптовых заказов от сотни килограммов или несколько тонн.

Таблица 8: Расчетная цена порошков титанониобиевого сплава

Сплав	Цена ($/кг)
Ti-10Nb	$100 – $300
Ti-35Nb	$200 – $500
Ti-50Nb	$300 – $800

Обращение с тиобийнитридным порошком и условия его хранения

В качестве реактивного металлического порошка при обращении с порошком сплава TiNb необходимо соблюдать осторожность:

• Хранить в герметичных контейнерах в сухой инертной атмосфере, чтобы предотвратить окисление и заражение.
• Избегайте контакта с кислородом, влагой, маслами, горючими материалами
• Профилактика накопления тонкодисперсных порошков на поверхностях
• Заземлить все токопроводящее оборудование используемое при работе
• Используйте искробезопасный инструмент и сведите к минимуму образование пыли
• Носите перчатки и средства защиты дыхательных путей при обращении
• Использовать приземные системы вентиляции и избегать пылевых облаков
• Беречь от тепла, пламени, искр и других источников возгорания
• Следуйте паспорту безопасности для правильного использования индивидуальных средств защиты и мер предосторожности

При надлежащем хранении в сухой, инертной атмосфере порошок сплава TiNb имеет типичный срок хранения 12 месяцев. Неправильные условия хранения могут привести к окислению, потере текучести или риску возгорания.

Таблица 9: Руководящие указания по обращению с порошком сплава TiNb

Параметр	Руководство
Хранилище	Запечатанные контейнеры, в сухой инертной атмосфере
Атмосфера	Избегайте кислорода, влаги, масел, воспламеняющихся веществ
Оборудование	Заземлите все токопроводящее оборудование
Инструменты	Используйте искробезопасные инструменты
Вентиляция	Система вентиляции с заземлением
PPE (Personal Protective Equipment) - СИЗ (Средства индивидуальной защиты)	Перчатки, респираторы
Меры предосторожности	Избегайте жары, пламени, искр
Срок годности	12 месяцев в инертной атмосфере

Паспорт безопасности для порошка TiNb сплава

Как и другие реакционные металлические порошки, некоторые важные меры предосторожности для сплава TiNb:

• Используйте СИЗ – перчатки, очки, маску/респиратор
• Избегайте вдыхания порошков — используйте защиту органов дыхания
• Избегайте попадания на кожу и в глаза
• Тщательно вымыть руки после работы с порошком
• Избегайте источников возгорания, порошки могут быть легковоспламеняющимися
• Используйте правильное заземление и вентиляцию
• Инертная атмосфера хранения для предотвращения окисления
• Избегайте появления подтеков и скопления пыли на поверхностях
• Следуйте инструкциям в паспорте безопасности и предупреждающих этикетках

Первая помощь:

• Ингаляция: перейти на свежий воздух. При необходимости обратитесь за медицинской помощью.
• Контакт с кожей: вымыть с мылом и водой. Обратитесь за помощью, если раздражение сохраняется.
• Контакт с глазами: Промыть глаза водой в течение 15 минут. Обратиться за медицинской помощью.
• Проглатывание: Пейте воду. Обратитесь за медицинской помощью, если появится дискомфорт.

Всегда обращайтесь к SDS от поставщика для получения полной информации о здоровье и безопасности перед обработкой порошка сплава TiNb.

Таблица 10: Ключевые меры безопасности для порошка сплава TiNb

Элемент безопасности	Меры предосторожности
PPE (Personal Protective Equipment) - СИЗ (Средства индивидуальной защиты)	Перчатки, защитные очки, маска N95
Вдыхание (ингаляция)	Используйте средства защиты органов дыхания
Контакт с кожей	Промойте пораженный участок водой с мылом
Зрительный контакт	Хорошо промойте глаза водой в течение 15 минут
Поглощение	Пейте воду. Обратитесь к врачу, если необходимо.
Вентиляция	Используйте вентиляционные вытяжки, заземленные на землю
Заземление	Заземлите все оборудование при обращении
Ignition	Держитесь подальше от искр, пламени, источников тепла
Хранилище	Инертная атмосфера вдали от легковоспламеняющихся материалов

Контроль качества порошка сплава TiNb

Для обеспечения соответствия порошка сплава TiNb спецификациям выполняется ряд контролей качества.

• Химический анализ?- Анализ ICP, GDMS или LECO для проверки состава и чистоты
• Анализ размера частиц?- лазерная дифракция или ситовый анализ для распределения размера
• Морфология?- SEM-визуализация для проверки формы частиц и топологии поверхности
• Расход?- Тест расходомера для порошкообразных сыпучих материалов
• Плотность?- измерения кажущейся плотности и плотности при простукивании
• Кислород / Азот?- Анализ инертной газовой сварки для интерстициальных примесей
• Идентификация фаз?- Анализ XRD для определения присутствующих фаз

Свойства порошка проверяются в каждой партии на соответствие стандартам качества, таким как ASTM B939, ASTM F3049, EN 10204 3.1. Порошок может смешиваться между партиями для достижения однородности.

Таблица 11: Методики испытаний порошкового сплава TiNb

Тест	Метод	Стандартный
Состав	ИСП, СГДС, ЛЕКО	ASTM E1479, ASTM E2330
Распределение размера частиц	Лазерная дифракция, просеивание	ASTM B822
Морфология	Сканирующая электронная микроскопия	ASTM B822
Расход	Расходомер Холла	ASTM B213
Плотность	Волюметр по Скотту	ASTM B212
Кислород / Азот	Дуговая сварка в среде инертных газов	ASTM E1019
Фазовый анализ	Рентгеновская дифракция	ASTM E1876

Медицинские применения титано-ниобиевого сплава

Благодаря своей биосовместимости, высокой прочности и низкому модулю упругости сплавы TiNb широко используются для медицинских имплантатов и приспособлений:

Ортопедические импланты

• Замена коленного и тазобедренного суставов
• Пластины костяные, шурупы
• Спинальные фиксаторы
• Дентальные имплантаты и мосты

Сплавы TiNb, такие как Ti-35Nb и Ti-45Nb, соответствуют модулю упругости человеческой кости, обеспечивая при этом высокую усталостную прочность. Это снижает защиту от избыточной нагрузки в сравнении с более жесткими титановыми сплавами.

Кардиоваскулярные устройства

• Стент
• Корпуса кардиостимуляторов
• Направляющие струны
• Хирургические инструменты

Коррозионная стойкость, нетоксичность и немагнитность сплавов TiNb делают их подходящими для устройств, контактирующих с кровью и тканями.

Сплавы титана и ниобия для медицинского применения

• От Ti-10Nb до Ti-50Nb
• Ti-Nb-Zr, Ti-Nb-Ta для регулируемых свойств
• Стандарты ISO 5832-11 и ASTM F2066

Низкомодульные сплавы Ti-35Nb и Ti-45Nb широко востребованы. Добавление Nb придает прочность, но повышает модуль. Малые добавки Zr/Ta в дальнейшем обеспечивают корректировку свойств.

Преимущества сплавов TiNb для биомедицинского применения

• Превосходная биосовместимость и остеоинтеграция
• Высокая прочность и усталостная прочность
• Малый модуль рядом с костью
• Нетоксичный, неаллергенный
• Коррозионностойкий
• Н немагнитный

Сплавы TiNb обеспечивают лучшую комбинацию прочности, биосовместимости, коррозионной стойкости и модуля упругости для имплантатов.

Проблемы использования компонентов из сплава TiNb в медицинских устройствах

• Трудная механическая обработка и изготовление
• Дороже, чем сплав Ti-6Al-4V
• Требуется строгий контроль качества и тестирования
• Более долгосрочные клинические данные еще развиваются

Учитывая, что применение TiNb в медицине является относительно новым, изготовление и лицензирование компонентов из TiNb могут быть более сложными. Однако их преимущества перевешивают краткосрочные проблемы.

Использование сплава TiNb в автомобилестроении

Высокая прочность, термостойкость и усталостная прочность сплавов TiNb делают их привлекательными для автомобильных деталей:

Пружины клапанов

• Повышенная прочность позволяет уменьшить массу пружины
• Уменьшает подскок клапана при высоких оборотах двигателя
• Допускает более высокую мощность

Двигателя клапанов

• Выдерживает высокие температуры выхлопных газов
• Устойчив к износу и деформации
• Легкий

Шатуны

• Высокое отношение прочности к массе
• Уменьшает массу возвратно-поступательного движения
• Позволяет повысить обороты и мощность

Турбокомпрессорные роторы

• Сохраняет прочность при высоких температурах
• Устраняет деформацию ползучести
• Устойчивость к тепловому удару
• Низкой плотности

Компоненты гоночного двигателя

• Легкие подвески, шасси части
• Высокая усталостная прочность

Сочетание сниженной массы и инерции с термостойкостью и усталостной прочностью ведет к повышению функциональности двигателя и эффективности.

Проблемы при разработке сплавов TiNb для автомобилестроения

• Высокая стоимость в сравнении со стальными сплавами
• Сложности при обработке порошковой металлургии
• Ограниченное количество поставщиков и опыт в производстве
• Неясное соотношение затраты-выгода

Изначально, преимущества могут оправдывать премиальные цены на элитные автомобили и автоспорт. Более широкое использование зависит от того, насколько эффективны будут производители порошка TiNb в снижении расходов.

Аэрокосмическое применение сплавов TiNb

Сплавы TiNb конкурируют с никелевыми суперсплавами для использования в авиационных двигателях и фюзеляжах, требующих прочности при низких температурах:

Компоненты двигателя

• Лопатки, диски, корпуса турбины
• Компрессорные лопатки
• Вал, связочные элементы
• Реверс тяги

Структурные части

• Шасси
• Крылья, рёбра, стрингеры
• Фюзеляжные шпангоуты
• Гидравлическое трубопроводы

Преимущества

• Плотность на 30–50 % ниже, чем у сверхсплавов на основе никеля
• Экономит вес
• Сопоставимая прочность и термостойкость
• Выдерживает повышенные напряжения и температуры

Трудности