Bột Ti3Al: Thành phần, Tính chất, Ứng dụng và Nhiều hơn thế nữa

Một số tính chất và đặc tính quan trọng của bột Ti3Al bao gồm:

• Độ bền cao ở nhiệt độ cao lên đến 750 ° C
• Mật độ bằng khoảng một nửa của hợp kim siêu bền niken
• Chống ăn mòn cực tốt
• So với các hợp kim titan khác thì có mật độ rất thấp
• Kháng oxy hóa lên đến khoảng 700 độ C
• Khả năng chống mài mòn
• tính tương thích sinh học

Tuy nhiên, Ti3Al cũng có những hạn chế như độ dẻo thấp ở nhiệt độ phòng, độ bền gãy thấp và khả năng hàn kém. Cần gia công và bổ sung hợp kim hợp lý để tối ưu hóa sự cân bằng các tính chất cho các ứng dụng khác nhau.

Bài viết này cung cấp thông tin tổng quan về thành phần, tính chất, ứng dụng, nhà cung cấp, chi phí, phương pháp thử nghiệm và các chi tiết kỹ thuật khác liên quan đến bột Ti3Al.

Thành phần của bột Ti3Al

Bột Ti3Al có thành phần danh nghĩa gồm 75% titan và 25% nhôm theo trọng lượng. Hợp chất liên kim giữa titan và nhôm được hình thành khi có 50 - 75% nhôm, trong đó Ti3Al là phiên bản phổ biến nhất.

Thành phần chính xác có thể thay đổi tùy thuộc vào phương pháp sản xuất. Các nguyên tố khác như Nb, Mo, Si, B, Ta, W, C và O thường được thêm vào trong số lượng nhỏ để tăng cường các tính chất nhất định. Bảng sau đây cho thấy phổ biến hợp thành điển hình:

Nguyên tố	Tỉ trọng
Titanium (Ti)	69 – 76%
Nhôm (Al)	24 – 31%
Niobi (Nb)	0 – 6%
Molybdene (Mo)	0 – 4%
Silic (Si)	0 – 2%
Bo (B)	0 – 0.5%
Tan-ta-len (Ta)	0 – 5%
Vonfram (W)	0 – 5%
Carbon (C)	0 – 0.1%
Oxy (O)	0 – 0.2%

Kiểm soát hàm lượng oxy và carbon là rất quan trọng để tránh giòn và duy trì độ dẻo. Các nguyên tố vi lượng khác cũng có thể có mặt tùy thuộc vào nguyên liệu thô và quy trình chế biến.

Đặc điểm của bột Ti3Al

Tính chất độc đáo của bột Ti3Al bắt nguồn từ cấu trúc tinh thể xen kẽ có trật tự bao gồm cả các nguyên tử titan và nhôm. Một số tính chất đáng chú ý bao gồm:

Độ bền ở nhiệt độ cao

Ti3Al vẫn duy trì độ bền tương đối cao lên tới 750¡«C, tốt hơn đáng kể so với riêng titan hay nhôm. Nhờ vậy, hợp kim này phù hợp với các ứng dụng trong động cơ, tua bin, van, v.v. nhiệt độ cao. Bảng dưới đây so sánh độ bền của Ti3Al với các hợp kim titan khác ở các nhiệt độ khác nhau:

Hợp kim	Cường độ nhiệt độ phòng (MPa)	Độ bền ở 500 ºC (MPa)	Mật độ (g/cm3)
Ti3Al	400	260	3.9
Ti6Al4V	900	500	4.5
Ti64	900	400	4.5

Mật độ thấp

Với mật độ khoảng 3,7 – 4,1 g/cm3, Ti3Al nhẹ hơn nhiều so với siêu hợp kim niken và hầu hết các hợp kim titan khác. Điều này giúp giảm trọng lượng thành phần quan trọng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ.

Khả năng chống ôxi hóa

Ti3Al có khả năng chống oxy hóa tốt lên đến 700°C trong không khí, tốt hơn titan chưa hợp kim. Điều này giúp nó hoạt động ở nhiệt độ cao mà không làm mất vật liệu quá nhiều.

Khả năng chống ăn mòn

Hàm lượng titan giúp Ti3Al có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời với nhiều loại axit, kiềm và môi trường muối. Điều này khiến nó trở nên hữu dụng trong thiết bị chế biến hóa chất.

Khả năng chống mài mòn

So với thép thì Ti3Al có khả năng chống mòn và xói mòn tốt, vì thế nó thích hợp cho các ứng dụng mòn nhiều như van, máy bơm và khuôn đùn.

Tuy nhiên, Ti3Al cũng có những nhược điểm như:

• Khả năng uốn dẻo ở nhiệt độ phòng kém và độ dai cực hạn
• Khó chế tạo và gia công
• Khả năng hàn kém do dễ bị nứt

Cần có quy trình xử lý và bổ sung hợp kim thích hợp để tối ưu hóa cân bằng của các tính chất cho ứng dụng dự định.

Ứng dụng dạng bột Ti3Al

Các tính chất độc đáo của bột Ti3Al làm cho bột này phù hợp với các ứng dụng sau:

Hiệp công

Ngành hàng không vũ trụ là đơn vị tiêu thụ các sản phẩm Ti3Al lớn nhất do nhu cầu về tiết kiệm trọng lượng, cường độ nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa. Các ứng dụng tiêu biểu bao gồm:

• Cánh tuabin, cánh hướng, đĩa
• Buồng đốt, buồng đốt phụ
• Khung thân, cấu kiện cấu trúc
• ống thủy lực, van

Ô tô

Ngành công nghiệp ô tô sử dụng Ti3Al cho các bộ phận tăng áp, van, lò xo, chốt và bộ phận hệ thống xả đòi hỏi độ bền ở nhiệt độ cao và trọng lượng nhẹ.

Xử lý hóa chất

Ti3Al được dùng cho các thành phần như van, máy bơm, phụ kiện ống, bình phản ứng đòi hỏi khả năng chống ăn mòn kết hợp với các đặc tính cơ học nhiệt độ cao.

Y sinh

Ti3Al tương thích sinh học, có khả năng chống ăn mòn và độ bền chắc cao khiến lý tưởng sử dụng trong các miếng ghép chỉnh hình như khớp háng nhân tạo.

Các ứng dụng khác bao gồm van hiệu suất cao, khuôn đùn, bộ phận gia nhiệt và đồ dùng thể thao. Ti3Al cũng được sử dụng làm bột sản xuất phụ gia.

Ti3Al Powder Specifications

Bột Ti3Al có nhiều kích thước, hình dạng và độ tinh khiết khác nhau tùy thuộc vào quy trình sản xuất. Các thông số kỹ thuật chính được đưa ra dưới đây:

Đặc điểm kỹ thuật	Chi tiết
Kích thước hạt	15 – 150 micron
Cấu trúc từ	Hình cầu, góc cạnh, hỗn hợp
Mật độ biểu kiến	2 - 3,5 g / cm3
Mật độ chịu nén	3 – 4,5 g/cm3
Sạch sẽ	¡Ô99%, ¡Ô99,9%
Hàm lượng oxy	¨P 0,2 wt%
Hàm lượng đạm	¨P 0,05 wt%
Hàm lượng cac bon	¨P 0.08 wt%
Hàm lượng sắt	¨P 0,30 wt%
Hàm lượng Nickel	¨P 0,10 wt%
Gói tiêu chuẩn	5kg, 10kg, 25kg translated to Vietnamese would be: 5kg, 10kg, 25kg

Các kích thước hạt mịn hơn thường có khả năng chảy, mật độ đóng gói và phản ứng tốt hơn. Các hình thái hình cầu cũng cải thiện dòng chảy của bột. Độ tinh khiết cao hơn làm giảm các tạp chất và cải thiện các đặc tính.

Sản xuất Bột Ti3Al

Có một số phương pháp được sử dụng để sản xuất bột Ti3Al bao gồm:

• Gas atomization translated to Vietnamese would be "Phân tử hoá khí."?- Hợp kim Ti-Al nóng chảy được phun thành các giọt nhỏ bằng khí trơ, rồi đông đặc lại thành bột. Quá trình này tạo ra các hạt hình cầu có tính lưu động tốt.
• Hợp kim cơ học?- Bột Ti và Al nguyên tố được nghiền trong máy nghiền bi để tổng hợp cơ học hợp chất kim loại trung gian. Các hạt bột có hình dạng không đều.
• Cầu plasma hóaBột Ti3Al không đều từ hợp kim cơ học được nung chảy lại trong plasma để tạo ra bột hình cầu.
• Phun khí nóng cảm ứng điện cực (EIGA)?- Làm tan chảy va phun trực tiếp một điện cực TiO2 để tạo bột.

Phun sương khí hóa và xử lý plasma cho phép kiểm soát tốt hơn đối với phân phối kích thước hạt, hình thái học, hấp thụ oxy và vi cấu trúc. Bột thường phải được sàng thành các phần có kích thước cụ thể sau khi sản xuất dựa trên các yêu cầu ứng dụng.

Giá bột Ti3Al

Bột Ti3Al đắt hơn đáng kể so với bột titan hoặc nhôm riêng rẽ. Chi phí khác nhau giữa:

• 100 đô la - 500 đô la mỗi kg đối với bột nguyên tử hóa tinh khiết 99%
• $50–$250/kg đối với bột hợp kim cơ học 99%
• 300 USD – 1000 USD/kg đối với bột hình cầu dạng plasma 99,9%

Giá cả phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, mức độ tinh khiết, số lượng đặt hàng và nhà sản xuất. Các hợp kim tùy chỉnh với thành phần đặc biệt có thể có giá cao hơn. Chi phí tiếp tục giảm do khối lượng gia công tăng và những cải tiến quy trình.

Các Nhà cung cấp bột Ti3Al

Một số nhà cung cấp bột Ti3Al lớn trên toàn cầu bao gồm:

Công ty	Địa điểm
AP&C	Canada
TLS Technik GmbH	Đức
Công nghệ kim loại	Vương quốc Anh
ATI Powder Metals	Hoa Kỳ
Công ty dịch vụ sản xuất phụ gia Carpenter	Hoa Kỳ
Met3DP	Trung Quốc
Tekna	Canada

Tại Trung Quốc cũng có một số nhà sản xuất. Nên lấy bột từ các đơn vị sản xuất được chứng nhận và sử dụng quy trình sản xuất đã qua kiểm định để đảm bảo chất lượng và tính năng đáng tin cậy.

Ti3Al so với Các giải pháp thay thế

Ti3Al cạnh tranh với một số vật liệu thay thế khác để ứng dụng cấu trúc nhiệt độ cao:

Bảng: So sánh của Ti3Al so với các hợp kim chịu nhiệt độ cao khác

Hợp kim	Mật độ	Nhiệt độ cao nhất	Sức mạnh	Độ dẻo dai	Khả năng chống ôxi hóa	Chi phí
Ti3Al	Thấp	Rất cao	Cao	Thấp	Tốt	Cao
Inconel 718	Cao	Cao	Trung bình	Trung bình	Tốt	Trung bình
Haynes 230	Cao	Rất cao	Cao	Thấp	Xuất sắc	Rất cao
Ti6Al4V	Trung bình	Trung bình	Trung bình	Trung bình	Xuất sắc	Trung bình
Thép không gỉ ferritic	Trung bình	Trung bình	Thấp	Cao	Yếu	Thấp

Để có nhiệt độ dịch vụ tối đa, Ti3Al và siêu hợp kim nền nikel như Haynes 230 là vượt trội. Tuy nhiên, mật độ thấp hơn và chi phí thấp hơn của Ti3Al là có lợi cho các ứng dụng quan trọng về trọng lượng như hàng không vũ trụ.

Độ dẻo của Ti3Al ở nhiệt độ phòng thấp vẫn là một hạn chế chính so với thép và Ti6Al4V. Tiếp tục hợp kim và phát triển quy trình để cải thiện khả năng gia công và chế tạo.

Ưu điểm của bột Ti3Al

Những lợi ích chính của việc sử dụng bột Ti3Al bao gồm:

• Sức bền cao được duy trì đến 800¡«C
• Mật độ thấp hơn hợp kim siêu bền niken 40%
• Chịu biến dạng chảy tuyệt vời
• Khả năng chống ô xi hóa và chống ăn mòn tốt
• Thay thế kim loại chịu lửa mà không có rủi ro về vật liệu chiến lược
• Sản xuất hình dạng gần đạt đến hình dạng mong muốn bằng luyện kim bột
• Các cấu trúc thành phần có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn
• Tiết kiệm trọng lượng ở các bộ phận quay như cánh tua bin
• Hiệu quả được cải thiện thông qua các thông số vận hành cao hơn

Sự cân bằng độc đáo của các tính chất cơ học, mật độ thấp và độ bền nhiệt làm cho Ti3Al trở thành vật liệu giúp cho các hệ thống hàng không vũ trụ, ô tô và phát điện thế hệ tiếp theo.

Hạn chế của bột Ti3Al

Bất chấp những ưu điểm, Ti3Al cũng có một số nhược điểm nhất định:

• Giòn ở nhiệt độ phòng, độ dẻo dai được cải thiện trên 500¡«C
• Quá trình chế tạo và gia công rất gian nan
• Tổn thất tài sản nhanh chóng ở mức dưới 400¡«C
• Chi phí nguyên vật liệu và chế biến rất cao
• Chuỗi cung ứng phải hạn chế một vài nhà sản xuất
• Thiết kế thành phần đòi hỏi năng lực chuyên môn về kỹ thuật
• Không dễ để hàn hoặc nối bằng các kỹ thuật thông thường
• Khó tái chế và tái sử dụng

Cho đến nay việc sản xuất và chi phí cao đã làm chậm việc áp dụng thương mại rộng rãi của Ti3Al. Tuy nhiên, các khả năng của Ti3Al vẫn thúc đẩy các nỗ lực phát triển vượt qua được các hạn chế này thông qua việc cải thiện thành phần hợp kim, chất lượng bột và thiết kế linh kiện.

Triển vọng trong tương lai của bột Ti3Al

Ti3Al được dự báo sẽ phát triển rộng rãi trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, ô tô, tuabin khí công nghiệp và ngành sản xuất điện do:

• Tăng nhu cầu về hiệu suất nhiên liệu của động cơ phản lực và giảm khí thải
• Vật liệu chịu nhiệt độ cao cần thiết cho bộ tăng áp điện
• Thị trường ngày càng tăng trưởng của các công nghệ sản xuất phụ gia
• Tập trung vào sự thay thế vật liệu chiến lược cho đất hiếm và kim loại chịu lửa
• Giảm chi phí thông qua việc cải thiện năng suất sản xuất

Thị trường ô tô và công nghiệp nhạy cảm với giá cả hơn và cần phải chứng minh được ưu thế về chi phí-hiệu suất so với các hợp kim hiện có. Ngành hàng không vũ trụ sẵn sàng trả tiền cao hơn để có được hiệu suất tối đa.

Các sáng kiến của chính phủ tại Hoa Kỳ, EU và Nhật Bản đang thúc đẩy hoạt động NG&P trong sản xuất bột Ti3Al, chế tạo linh kiện, phương pháp ghép nối và phát triển hợp kim. Điều này sẽ mở rộng không gian ứng dụng và thúc đẩy tỷ lệ áp dụng cao hơn.

Những câu hỏi thường gặp

H: Bột Ti3Al dùng để làm gì?

A: Bột Ti3Al được sử dụng để sản xuất các thành phần chịu nhiệt độ cao như cánh tua bin, bánh tăng áp, bộ trao đổi nhiệt và các bộ phận khác hoạt động từ 500-800¡«C. Nó cung cấp khả năng cân bằng tuyệt vời giữa độ bền cao, mật độ thấp và khả năng chống oxy hóa tốt.

H: Bột Ti3Al được tạo nên như thế nào?

A: Các phương pháp sản xuất thông thường gồm có phun nguyên tử hóa bằng khí, phun nguyên tử hóa plasma, phun nguyên tử hóa bằng khí nóng chảy cảm ứng điện cực (EIGA) và hợp kim cơ học. Mỗi quy trình tạo ra các đặc điểm bột khác nhau phù hợp cho các ứng dụng cụ thể.

H: Bột Ti3Al có tốt hơn Inconel 718 không?

A: Ti3Al có mật độ thấp hơn, do đó tiết kiệm được trọng lượng so với Inconel 718. Nó có độ bền cao hơn ở nhiệt độ trên 700oC. Tuy nhiên, độ dẻo dai của Ti3Al ở nhiệt độ phòng khá thấp trong khi Inconel 718 có thể gia công và chế tạo một cách dễ dàng.

C: Giá bột Ti3Al là bao nhiêu?

A: Bột Ti3Al có giá khoảng 450-750 đô la/kg, đắt hơn siêu hợp kim niken gần 5 lần và đắt hơn bột titan hoặc nhôm gấp 10 lần. Có giá cao như vậy là do quy trình xử lý phức tạp và nhu cầu thị trường hạn chế.

H: Bột Ti3Al được xử lý và bảo quản như thế nào?

A: Giống như những loại bột hợp kim phản ứng khác, Ti3Al phải được bảo quản trong môi trường khí trơ và không có độ ẩm. Chỉ nên sử dụng hộp đựng bằng gốm, thủy tinh hoặc thép không gỉ. Các biện pháp phòng ngừa an toàn bao gồm nối đất, thông gió và thiết bị bảo vệ đường hô hấp cá nhân.

Hỏi: Những thách thức khi sử dụng bột Ti3Al là gì?

A: Những hạn chế chủ yếu là tính dẻo không tốt ở nhiệt độ phòng, chi phí vật liệu cao, số lượng nhà cung cấp hạn chế, khó khăn trong gia công/chế tạo và thiếu các công nghệ ghép nối. Cần cải tiến hợp kim, phát triển quy trình và tối ưu hóa thiết kế thành phần để mở rộng phạm vi sử dụng trong thương mại.

H: Triển vọng tương lai của bột Ti3Al là gì?

A: Ước tính nhu cầu sử dụng bột Ti3Al sẽ tăng đáng kể trong động cơ hàng không vũ trụ, bộ tăng áp ô tô và ứng dụng công nghiệp nhiệt độ cao. Các sáng kiến nhằm hạ giá thành, cải thiện tính chất và sản xuất hoàn thiện sẽ góp phần giúp việc ứng dụng rộng rãi hơn.