Prášek Ti3Al: Složení, vlastnosti, aplikace a další informace

Mezi klíčové vlastnosti a charakteristiky prášku Ti3Al patří:

• Vysoká pevnost při zvýšených teplotách až do 750 °C
• Hustota přibližně poloviční oproti niklovým superslitinám
• Vynikající odolnost proti korozi
• Nízká hustota ve srovnání s jinými slitinami titanu
• Odolnost proti oxidaci až do cca 700 °C
• Odolnost proti opotřebení
• Biokompatibilita

Ti3Al má však také omezení, jako je nízká tažnost při pokojové teplotě, nízká lomová houževnatost a špatná svařitelnost. K optimalizaci rovnováhy vlastností pro různé aplikace je nutné vhodné zpracování a přídavky legujících látek.

Tento článek poskytuje podrobný přehled o složení, vlastnostech, aplikacích, dodavatelích, nákladech, zkušebních metodách a dalších technických podrobnostech týkajících se práškového Ti3Al.

Složení prášku Ti3Al

Prášek Ti3Al má jmenovité hmotnostní složení 75% titanu a 25% hliníku. Intermetalická sloučenina titan-hliník tvoří 50-75% hliníku, přičemž nejběžnější verzí je Ti3Al.

Přesné složení se může lišit v závislosti na způsobu výroby. Další prvky jako Nb, Mo, Si, B, Ta, W, C a O se často přidávají v malých množstvích pro zlepšení určitých vlastností. Níže uvedená tabulka ukazuje typický rozsah složení:

Živel	Hmotnost %
titan (Ti)	69 – 76%
hliník (Al)	24 – 31%
niob (Nb)	0 – 6%
molybden (Mo)	0 – 4%
křemík (Si)	0 – 2%
Bór (B)	0 – 0.5%
tantal (Ta)	0 – 5%
Wolfram (W)	0 – 5%
uhlík (C)	0 – 0.1%
Kyslík (O)	0 – 0.2%

Kontrola obsahu kyslíku a uhlíku je rozhodující pro zamezení křehnutí a zachování tažnosti. V závislosti na surovinách a procesu mohou být přítomny i další stopové prvky.

Vlastnosti prášku Ti3Al

Jedinečné vlastnosti prášku Ti3Al vyplývají z jeho uspořádané intermetalické krystalové struktury tvořené atomy titanu i hliníku. Mezi pozoruhodné vlastnosti patří:

Pevnost při vysokých teplotách

Ti3Al si zachovává relativně vysokou pevnost až do 750 °C, což je výrazně lepší než u samotného titanu nebo hliníku. Díky tomu je vhodný pro aplikace při zvýšených teplotách v motorech, turbínách, ventilech atd. Následující tabulka porovnává pevnost Ti3Al s jinými titanovými slitinami při různých teplotách:

Slitina	Pevnost při pokojové teplotě (MPa)	Pevnost při 500 °C (MPa)	Hustota (g/cm3)
Ti3Al	400	260	3.9
Ti6Al4V	900	500	4.5
Ti64	900	400	4.5

Nízká hustota

S hustotou kolem 3,7 - 4,1 g/cm3 je Ti3Al mnohem lehčí než niklové superslitiny a většina ostatních titanových slitin. To pomáhá snížit hmotnost součástek, která je kritická v leteckých a kosmických aplikacích.

Odolnost proti oxidaci

Ti3Al vykazuje dobrou odolnost proti oxidaci až do 700 °C na vzduchu, což je lepší než u nelegovaného titanu. To mu umožňuje pracovat při vysokých teplotách bez nadměrných ztrát materiálu.

Odolnost proti korozi

Díky obsahu titanu je Ti3Al výborně odolný proti korozi v širokém spektru kyselin, louhů a slaných prostředí. Díky tomu je užitečný v zařízeních pro chemické zpracování.

Odolnost proti opotřebení

Ti3Al má dobrou odolnost proti otěru a erozi srovnatelnou s ocelí, takže je vhodný pro aplikace s vysokým opotřebením, jako jsou ventily, čerpadla a lisovací formy.

Ti3Al má však také nevýhody, jako např.:

• Nízká tažnost a lomová houževnatost při pokojové teplotě
• Obtížná výroba a obrábění
• Špatná svařitelnost kvůli náchylnosti k praskání

Pro optimální vyvážení vlastností pro zamýšlené použití je nutné správné zpracování a přidání legujících přísad.

Aplikace Ti3Al prášku

Díky svým jedinečným vlastnostem je prášek Ti3Al vhodný pro následující aplikace:

Aerospace

Letecký a kosmický průmysl je největším spotřebitelem výrobků z Ti3Al kvůli potřebě úspory hmotnosti, pevnosti při vysokých teplotách a odolnosti proti oxidaci. Typické aplikace zahrnují:

• Turbínových lopatek, lopatek, disků
• Spalovací komory, přídavné spalování
• Rámy letadel, konstrukční součásti
• Hydraulické trubky, ventily

Automobilový průmysl

V automobilovém průmyslu se Ti3Al používá pro součásti turbodmychadel, ventilů, pružin, spojovacích prvků a dílů výfukového systému, které vyžadují vysokou teplotní pevnost a nižší hmotnost.

Chemické zpracování

Ti3Al se používá pro součásti, jako jsou ventily, čerpadla, potrubní armatury, reakční nádoby, které vyžadují odolnost proti korozi v kombinaci s mechanickými vlastnostmi při vysokých teplotách.

Biomedicína

Biokompatibilita, odolnost proti korozi a pevnost Ti3Al jej předurčují k použití v ortopedických implantátech, jako jsou umělé kyčelní klouby.

Další aplikace zahrnují vysoce výkonné ventily, lisovací formy, topné prvky a sportovní zboží. Ti3Al se také používá jako prášek pro aditivní výrobu.

Specifikace Ti3Al prášku

Prášek Ti3Al je k dispozici v různých rozměrových řadách, morfologii a čistotě v závislosti na výrobním procesu. Níže jsou uvedeny klíčové specifikace:

Specifikace	Podrobnosti
Velikost částic	15 - 150 mikronů
Morfologie	Sférické, úhlové, smíšené
Zdánlivá hustota	2 - 3,5 g/cm3
Hustota poklepání	3 - 4,5 g/cm3
Čistota	≥99%, ≥99.9%
Obsah kyslíku	≤ 0,2 wt%
Obsah dusíku	≤ 0,05 wt%
Obsah uhlíku	≤ 0,08 wt%
Obsah železa	≤ 0,30 wt%
Obsah niklu	≤ 0,10 wt%
Standardní balení	5 kg, 10 kg, 25 kg

Jemnější velikosti částic obecně zajišťují lepší tekutost, hustotu balení a reaktivitu. Sférická morfologie také zlepšuje tok prášku. Vyšší čistota snižuje množství kontaminantů a zlepšuje vlastnosti.

Výroba Ti3Al prášku

K výrobě Ti3Al prášku se používá několik metod, včetně:

• Atomizace plynu - Roztavená slitina Ti-Al je rozprašována inertním plynem na jemné kapičky, které tuhnou v prášek. Vznikají tak kulovité částice s dobrou sypností.
• Mechanické legování - Prášky elementárního Ti a Al se mechanicky syntetizují kulovým mlýnem, aby se vytvořila intermetalická sloučenina. Částice prášku mají nepravidelný tvar.
• Sféroidizace plazmy - Nepravidelný Ti3Al prášek z mechanického legování se přetaví v plazmatu, aby vznikl sférický prášek.
• Elektrodová indukční atomizace tavicího plynu (EIGA) - Přímo taví a atomizuje elektrodu Ti3Al a vytváří prášek.

Plynová atomizace a plazmové zpracování umožňují lepší kontrolu nad distribucí velikosti částic, morfologií, zachycováním kyslíku a mikrostrukturou. Prášek musí být po výrobě obvykle prosíván na určité velikostní frakce na základě požadavků na použití.

Náklady na prášek Ti3Al

Prášek Ti3Al je výrazně dražší než samotný titan nebo hliník. Náklady se pohybují mezi:

• $100 - $500 za kg pro plynný rozprašovaný prášek čistoty 99%
• $50 - $250 za kg pro mechanicky legovaný prášek 99%
• $300 - $1000 za kg pro plazmový sféroidizovaný prášek 99,9%

Ceny závisí na velikosti částic, morfologii, stupni čistoty, objednaném množství a výrobci. Cena zakázkových slitin se speciálním složením může být ještě vyšší. Náklady se snižují v důsledku zvyšování objemu výroby a zdokonalování procesů.

Dodavatelé Ti3Al prášku

Mezi hlavní světové dodavatele Ti3Al prášku patří:

Společnost	Umístění
AP&C	Kanada
TLS Technik GmbH	Německo
Technologie kovů	Spojené království
Práškové kovy ATI	USA
Přísada pro tesaře	USA
Met3DP	Čína
Tekna	Kanada

Několik výrobců je také vČíně. Pro zajištění spolehlivé kvality a vlastností se doporučuje odebírat prášek od zavedených výrobců, kteří používají kvalifikované výrobní postupy.

Ti3Al versus alternativy

Ti3Al konkuruje několika alternativám pro vysokoteplotní konstrukční aplikace:

Tabulka: Srovnání Ti3Al s jinými vysokoteplotními slitinami

Slitina	Hustota	Maximální teplota	Síla	Tažnost	Odolnost proti oxidaci	Náklady
Ti3Al	Nízký	Velmi vysoko	Vysoký	Nízký	Dobrý	Vysoký
Inconel 718	Vysoký	Vysoký	Střední	Střední	Dobrý	Střední
Haynes 230	Vysoký	Velmi vysoko	Vysoký	Nízký	Vynikající	Velmi vysoko
Ti6Al4V	Střední	Střední	Střední	Střední	Vynikající	Střední
Feritické nerezové oceli	Střední	Střední	Nízký	Vysoký	Špatný	Nízký

Pro maximální provozní teploty jsou vhodnější superslitiny na bázi Ti3Al a niklu, jako je Haynes 230. Nižší hustota a cena Ti3Al jsou však výhodné pro aplikace s kritickou hmotností, jako je letecký průmysl.

Klíčovým omezením oproti ocelím a Ti6Al4V zůstává nízká tažnost Ti3Al při pokojové teplotě. Vývoj slitin a procesů nadále zlepšuje obrobitelnost a vyrobitelnost.

Výhody Ti3Al prášku

Mezi hlavní výhody použití prášku Ti3Al patří:

• Vysoká pevnost udržovaná až do 800 °C
• Hustota 40% nižší než u niklových superslitin
• Vynikající odolnost proti tečení
• Dobrá odolnost proti oxidaci a korozi
• Náhrada žáruvzdorných kovů bez strategických materiálových rizik
• Výroba téměř síťového tvaru pomocí práškové metalurgie
• Komponenty mohou pracovat při vyšších teplotách
• Úspora hmotnosti rotujících částí, jako jsou lopatky turbín.
• Vyšší účinnost díky vyšším provozním parametrům

Jedinečná rovnováha mechanických vlastností, nízké hustoty a tepelné stability činí z Ti3Al materiál, který je vhodný pro příští generace systémů pro letectví, automobilový průmysl a energetiku.

Omezení Ti3Al prášku

Přes své výhody má Ti3Al také určité nevýhody:

• Křehké při pokojové teplotě, tažnost se zlepšuje nad 500 °C
• Výroba a obrábění je náročné
• Rychlá ztráta vlastností při teplotách pod 400 °C
• Náklady na suroviny a zpracování jsou velmi vysoké
• Dodavatelský řetězec je omezený a má jen málo výrobců
• Návrh komponent vyžaduje specializované inženýrské znalosti
• Nelze snadno svařovat nebo spojovat běžnými technikami
• Obtížná recyklace a opětovné použití

Výrobní a nákladové překážky dosud zpomalovaly široké komerční využití Ti3Al. Jeho schopnosti však nadále podněcují vývojové úsilí o překonání těchto omezení prostřednictvím zlepšených chemických vlastností slitin, kvality prášku a konstrukce součástí.

Výhled pro Ti3Al prášek

Předpokládá se, že Ti3Al bude mít širší využití v leteckém a automobilovém průmyslu, v průmyslových plynových turbínách a v energetice, a to díky:

• Rostoucí poptávka po efektivitě paliva proudových motorů a nižších emisích
• Vysokoteplotní materiály potřebné pro elektrická turbodmychadla
• Rostoucí trh s aditivními výrobními technologiemi
• Zaměření na strategickou náhradu materiálů vzácných zemin a žáruvzdorných kovů
• Snížení nákladů díky vyšší produktivitě výroby

Automobilový a průmyslový trh je citlivější na cenu a vyžaduje prokazatelnou výhodu v poměru cena/výkon oproti stávajícím slitinám. Letecký a kosmický sektor je ochotnější zaplatit vyšší cenu za maximální výkon.

Vládní iniciativy v USA, EU a Japonsku urychlují výzkum a vývoj v oblasti výroby Ti3Al prášku, výroby součástí, metod spojování a vývoje slitin. To rozšíří prostor pro použití a podpoří vyšší míru přijetí.

Často kladené otázky

Otázka: K čemu se používá prášek Ti3Al?

Odpověď: Prášek Ti3Al se používá k výrobě vysokoteplotních součástí, jako jsou lopatky turbín, kola turbodmychadel, výměníky tepla a další součásti, které pracují při teplotách 500-800 °C. Poskytuje vynikající rovnováhu mezi vysokou pevností, nízkou hustotou a dobrou odolností proti oxidaci.

Otázka: Jak se vyrábí prášek Ti3Al?

Odpověď: Mezi běžné výrobní metody patří atomizace plynem, atomizace plazmou, atomizace indukčním tavicím plynem (EIGA) a mechanické legování. Výsledkem každého procesu jsou různé vlastnosti prášku vhodné pro konkrétní aplikace.

Otázka: Je Ti3Al prášek lepší než Inconel 718?

Odpověď: Ti3Al má nižší hustotu, takže oproti Inconelu 718 přináší úsporu hmotnosti. Má vyšší pevnost při teplotách nad 700 °C. Nicméně tažnost Ti3Al při pokojové teplotě je poměrně nízká, zatímco Inconel 718 lze snadno vyrábět a obrábět.

Otázka: Jaká je cena prášku Ti3Al?

Odpověď: Cena prášku Ti3Al se pohybuje kolem $450-750 za kg, což je téměř pětkrát dražší než niklové superslitiny a desetkrát dražší než titanové nebo hliníkové prášky. Vysoká cena je způsobena složitým zpracováním a omezenou poptávkou na trhu.

Otázka: Jak se zachází s práškem Ti3Al a jak se skladuje?

Odpověď: Stejně jako ostatní reaktivní prášky ze slitin vyžaduje Ti3Al přikrytí inertním plynem a skladování bez vlhkosti. Měly by se používat pouze keramické, skleněné nebo nerezové nádoby. Bezpečnostní opatření zahrnují uzemnění, větrání a osobní ochranné prostředky pro dýchací cesty.

Otázka: Jaké jsou problémy při použití prášku Ti3Al?

Odpověď: Hlavními omezeními jsou nízká tažnost při pokojové teplotě, vysoká cena materiálu, omezený počet dodavatelů, obtížnost obrábění/výroby a nedostatek spojovacích technologií. Pro rozšíření komerčního využití je nutné zdokonalení slitin, vývoj procesů a optimalizace konstrukce součástí.

Otázka: Jaký je výhled do budoucna pro prášek Ti3Al?

Odpověď: Předpokládá se, že použití prášku Ti3Al výrazně poroste v leteckých motorech, automobilových turbodmychadlech a vysokoteplotních průmyslových aplikacích. Iniciativy na snížení nákladů, zlepšení vlastností a zkvalitnění výroby umožní širší využití.