Prášek karbidu titanu

práškový karbid titanu je extrémně tvrdý keramický materiál používaný v různých průmyslových aplikacích, které vyžadují vysokou tvrdost, odolnost proti opotřebení, tepelnou vodivost a chemickou stabilitu při extrémních teplotách. Tento článek poskytuje komplexní technickou referenci o práškovém TiC zahrnující vlastnosti, výrobní metody, aplikace, dodavatele, specifikace, třídy a další.

Přehled o Prášek karbidu titanu

Prášek karbidu titanu (TiC) se skládá z uhlíku a titanu, obvykle s malým množstvím dalších kovových prvků. Má extrémně vysoký bod tání 3140 °C a vysokou tvrdost blízkou nitridu titanu. Mezi klíčové vlastnosti a charakteristiky patří:

Tabulka 1: Vlastnosti a charakteristiky prášku karbidu titanu

Mezi hlavní výhody práškového karbidu titanu patří extrémní tvrdost a odolnost proti opotřebení, zachování mechanické pevnosti při teplotě nad 3100 °C a chemická inertnost. Mezi nevýhody patří křehkost a nižší odolnost vůči oxidaci při teplotách nad 800 °C ve srovnání s jinými karbidy.

Výrobní metody

Prášek karbidu titanu lze vyrábět několika výrobními postupy:

Tabulka 2: Přehled metod výroby prášku karbidu titanu

Mezi klíčové faktory při výběru výrobní metody patří požadované vlastnosti prášku, jako je velikost částic, tvar, úroveň čistoty a náklady.

Aplikace z Prášek karbidu titanu

Mezi hlavní aplikace práškového karbidu titanu patří:

Tabulka 3: Přehled průmyslových aplikací prášku karbidu titanu

Karbid titanu vytváří lehké kompozity jako TiC-Ni a TiC-Co s extrémní tvrdostí a odolností proti opotřebení, které jsou vhodné pro nejnáročnější mechanické a vysokoteplotní aplikace.

Nejvíce je ceněn pro následující schopnosti:

• Zachovává si pevnost při teplotě nad 3100 °C - zachovává si vlastnosti tam, kde oceli a karbidy selhávají.
• Extrémní tvrdost odolává opotřebení oděrem i při vysokých teplotách.
• Nízká tepelná roztažnost napomáhá odolnosti proti teplotním šokům
• Odolává erozi, korozi a chemickému napadení.

Specifikace a třídy

Prášek karbidu titanu je k dispozici ve standardních a přizpůsobených specifikacích:

Tabulka 4: Specifikace a třídy prášku karbidu titanu

stupně:

• Jaderná třída >99% TiC
• Konstrukční třída 89-92% TiC
• Metalurgická třída 70-75% TiC

Jaderné oceli vyšší čistoty mají nižší obsah volného uhlíku, železa a niklu. Strukturní TiC má vyšší tvrdost a rovnoměrná hrubá zrna.

Normy a zkušební metody

Práškové výrobky z karbidu titanu musí splňovat různé aplikační normy pro složení, nečistoty, distribuci velikosti částic a další parametry specifické pro konečné použití. Některé běžné normy zahrnují:

Tabulka 5: Normy a zkušební metody pro TiC prášek

Tyto normy pomáhají zajistit spolehlivost výrobků v různých výrobních šaržích a u více dodavatelů. Dodavatelé i koncoví uživatelé často využívají další analytické techniky, jako je SEM, EDX, XRD a laserová analýza velikosti částic, aby mohli podrobně charakterizovat materiály.

Dodavatelé a ceny

Prášek karbidu titanu je komerčně dostupný od mnoha významných dodavatelů na celém světě. Mezi přední výrobce patří:

Tabulka 6: Vybraní dodavatelé práškového karbidu titanu

Ceny se mohou pohybovat v širokém rozmezí:

• Prášek TiC jaderné kvality - $1800+ za kg
• Prášek TiC konstrukční třídy - $20-100 za kg
• TiC ingoty pro výrobky HIP - $50-200 za kg

Přesná cena závisí na stupni čistoty, specifikacích velikosti částic, nákupním množství a dalších parametrech.

Srovnání Prášek karbidu titanu k Alternativám

Tabulka 7: Srovnání prášku karbidu titanu s alternativní tvrdou keramikou

Hlavní rozdíly:

• Karbid wolframu má vyšší houževnatost
• Karbid křemíku má lepší odolnost proti oxidaci
• Karbid titanu odolává extrémně vysokým teplotám.
• Karbid titanu nabízí nejlepší všestranný výkon

Výhody a omezení

Tabulka 8: Výhody vs. omezení prášku karbidu titanu

Klíčové aplikace do hloubky

Karbid titanu umožňuje výjimečné zlepšení výkonu v různých odvětvích od leteckého a automobilového průmyslu až po výrobu a energetiku. Tato část se zabývá některými klíčovými aplikacemi, které zdůrazňují vynikající vlastnosti karbidu titanu.

Letecké aplikace

Letecké a kosmické aplikace vyžadují materiály, které odolávají extrémním podmínkám. Karbid titanu si zachovává pevnost při teplotách nad 3000 °C, odolává tepelným šokům a nedegraduje po opakovaných cyklech zahřívání - ideální vlastnosti pro součásti hypersonických letadel.

Špičkové materiály a nátěry

Kompozity z karbidu titanu TiC-Ni a TiC-Co umožňují ostrým náběžným hranám křídel hypersonických vozidel odolávat intenzivnímu třecímu ohřevu při návratu do atmosféry až do teploty 3200 °C. Jejich výkon je mnohem lepší než u tradičních kompozitů s grafitovou nebo keramickou matricí.

Povlaky karbidu titanu nanášené chemickou depozicí z par (CVD) nebo fyzikální depozicí z par (PVD) navíc chrání povrchy křídel, vstupy do motoru a další součásti před oxidací a abrazivním opotřebením při rychlostech nad Mach 5.

Systémy tepelné ochrany

Opakovaně použitelné systémy tepelné ochrany (TPS) na kosmických lodích snášejí extrémní výkyvy teplot od -150 °C ve vesmíru až po 1650 °C při návratu do atmosféry. Karbid titanu si v tomto rozsahu zachovává pevnost a odolává tepelně únavovým trhlinám po opakovaných expozicích lépe než jiná keramika.

Například kosmický letoun X-37B používá ve svém TPS vrstvu TiC, která chrání základní konstrukci vozidla. TiC ablátory také izolují trysky raket a hypersonických proudových motorů od výfukových plynů dosahujících teploty přes 3300 °C.

Brzdy letadel

Uhlíkové brzdy proudových letadel musí při přistání při rychlosti 160 uzlů odolávat teplotě přes 700 °C. Uhlík však snadno oxiduje, což má za následek prášení a brzké opotřebení.

Nahrazení uhlíkových součástí rotory a statory z karbidu titanu výrazně prodlužuje životnost dílů a zvyšuje přípustné brzdné teploty na 1150 °C, což vede k celkově lehčím brzdovým systémům.

Výzbroj

Roztavený kov rychle ničí tradiční obložení hlavní zbraní a způsobuje nerovnoměrné opotřebení nebo exploze hlavní. Povlaky z karbidu titanu nastříkané plazmou však výjimečně dobře odolávají erozi kovu a umožňují trvalou střelbu z velkorážových zbraní za běžných provozních teplot s minimálním opotřebením.

Použití v automobilovém průmyslu

Výrobci automobilů neustále zkoumají materiály, aby mohli vyrábět rychlejší, bezpečnější a lehčí osobní a nákladní automobily. Automobilový průmysl ve velké míře využívá karbid titanu pro pancéřování, brzdy a součásti motorů.

Pancéřování vozidla

Vojenská vozidla používají pro balistický pancíř spíše keramické kompozity z karbidu titanu, jako je TiC-Kevlar, než tradiční ocel. Tím se snižuje hmotnost o 30% a zároveň se skutečně zvyšuje úroveň ochrany proti hrozbám pancéřování.

Keramické lamináty s údernou plochou z TiC lépe rozptylují a deformují dopadající střely než kovové desky. Lehčí pancíř zlepšuje mobilitu vozidla a spotřebu paliva, která je pro bojové mise klíčová.

Brzdové kotouče

Brzdové kotouče Formule 1 a dalších vysoce výkonných vozidel jsou vyrobeny z keramického matricového kompozitu (CMC) s karbidem titanu, aby zvládly extrémní teploty způsobené opakovaným brzděním s G-silou při maximální rychlosti až 350 km/h.

Kotouče TiC také zlepšují brzdný výkon a odstraňují problémy s vadnutím brzd, které trápí špičkové sportovní vozy při závodním použití. Regenerativní brzdové systémy elektromobilů se podobně spoléhají na rotory z karbidu titanu, které jsou odolné vůči extrémním teplotám.

Komponenty pro opotřebení

Karbid titanu prodlužuje životnost vysoce zatížených součástí motoru náchylných k otěru při vysokých teplotách nad 1000 °C. Například nahrazením tradičních ocelových ventilů a vložek pístních pouzder verzemi z TiC se dosahuje 50-100% delší provozní doby, než opotřebení dosáhne mezí poruchovosti.

V otvorech motorů s povlakem TiC překonává v současnosti používané povlaky z niklu a karbidu nanášené tepelným nástřikem. To umožňuje dosáhnout vyšších špičkových tlaků a teplot spalování pro zvýšení účinnosti paliva.

Řezné nástroje

Všichni významní dodavatelé řezných nástrojů nabízejí rozsáhlý sortiment břitových destiček, vrtáků, fréz a speciálních nástrojů se substrátem z karbidu titanu spojeným s jinými karbidy, keramikou nebo diamantovými povlaky.

Odolnost proti opotřebení

TiC si zachovává tvrdost vyšší, než je bod měknutí běžných nástrojových ocelí kolem 600 °C, což umožňuje vyšší rychlost úběru materiálu, vyšší řezné rychlosti a nižší opotřebení při vysokorychlostním obrábění za sucha.

Tepelné vlastnosti

Vysoká tepelná vodivost zabraňuje vzniku lokálních horkých míst během přerušovaných řezů, které způsobují zlomení nástroje. TiC také vykazuje minimální tepelnou roztažnost, která se vyrovná diamantu - což je pro přesné nástroje pro mikrovýrobu kritické.

Upgrady výkonu

Nahrazení tradičních wolframkarbidových součástí, jako jsou vyměnitelné břitové destičky, modernizací TiC prodlužuje životnost nástroje 2-4x při stejných provozních parametrech. Případně lze výrazně zvýšit řezné rychlosti nebo posuvy při dosažení stejné úrovně opotřebení břitových destiček.

U obtížně obrobitelných leteckých slitin nové generace, jako je Inconel 718, aluminid titanu TiAl a kompozity s kovovou matricí MMC, umožňují nástroje z karbidu titanu životaschopné výrobní možnosti, které by jinak nebyly možné.

Vložky trysek

Trysky z karbidu titanu odolávají vysoce erozivním tokům částic, které zpracovávají abraziva od zemědělských materiálů a zpracování minerálů až po kuličkování a spékání kovů v prášku:

Odolnost proti oděru

Destičky TiC používané v potravinářství, farmacii a při zpracování speciálních chemikálií běžně překonávají tradiční verze karbidu wolframu, karbidu křemíku a karbidu chromu o 300 - 500% v extrémně abrazivních proudech jemného prášku.

Ochrana proti vysoké rychlosti

Karbidové kryty z titanu obsahující víry chladicího vzduchu chrání lopatky kompozitních leteckých motorů před dopadajícím štěrkem o rychlosti vyšší než 650 m/s. Během testů ochrany lopatek přežily součásti z TiC bez úhony průrazy lopatek při rozpadu ventilátoru tam, kde se alternativní materiály lámou.

Používání při extrémních teplotách

Plazmové trysky pro výrobu roztaveného zirkonia, oceli a skleněných vláken se skládají z volně stojících TiC trubek bez dodatečného chlazení. TiC spolehlivě odolává korozi strusky a tepelným tokům vyvržených kovových kapek přes 3 000 °C, které snadno ničí kobaltové a niklové slitiny.

Jaderné aplikace

Karbid titanu je široce používán v jaderné energetice, a to jak v plášti jaderného paliva, tak v ochraně první stěny experimentálních fúzních reaktorů.

Obložení palivem

Běžné zirkoniové slitiny palivového pláště mohou při nehodě s přehřátím aktivní zóny reaktoru oxidovat, roztavit se a uvolnit radioaktivní izotopy. Povlaky z karbidu titanu však umožňují chladnější a pomalejší reakce a vytvářejí pasivační vrstvu TiO2, která zadržuje unikající částice - což výrazně zvyšuje bezpečnostní limity.

Komponenty s plazmovým povrchem

V experimentálních fúzních reaktorech tokamak dochází k rychlé erozi pevných pancéřových desek intenzivními tepelnými toky plazmatu o výkonu 40 MW/m2, protože povrch je neustále bombardován částicemi fúzního a rentgenového záření. Tepelně stříkané vrstvy nebo volně stojící součásti z TiC odolávají těmto drsným podmínkám lépe a mají 2-3x delší provozní životnost než wolframové alternativy, než je nutné je vyměnit.

Kontejnery na radioaktivní odpad

Po přepracování paliva jsou vysokoaktivní kapaliny zaskleny do polen z borosilikátového skla, která jsou uložena v kanystrech odolných proti korozi. Naprostá nepropustnost karbidu titanu pro plyny a kapaliny po geologickou dobu umožňuje bezpečné dlouhodobé skladování bez úniku do životního prostředí.

Vrtání ropy a zemního plynu

Karbid titanu si zaslouží zvláštní ocenění jako nejtvrdší, nejžhavější a nejodolnější materiál pro vrtání hornin, který byl kdy vyvinut. Knoflíky TC se staly zlatým standardem v celém odvětví vrtání ropy, zemního plynu a geotermálních vrtů a překonávají předchozí řešení s polykrystalickým diamantovým kompaktem (PDC).

Třecí abraze hornin

Rotační kuželové vrtáky používané pro hluboké vrty do hloubky 6000 m se při řezání setkávají s extrémními tlaky na skalní stěnu a tepelnými toky způsobenými třením o výkonu 100 kW. Pevné destičky TC si za těchto podmínek udržují tvrdost přesahující 3200 HV a zároveň vrtají 5-10x rychleji než ocelové zuby, než je nutné je vyměnit.

Vysokorychlostní pronikání do hornin

Firmy zabývající se geotermálními a ropnými/plynovými vrty, které se specializují na tvrdé sedimentární nebo čedičové vrstvy, používají výhradně knoflíkové vrtáky TC, které dosahují až 4× vyšších penetračních rychlostí než alternativní typy vrtáků se stejnou životností.

Sečteno a podtrženo - nic neprořezává horniny lépe než karbid titanu a zároveň odolává náročným podmínkám v hlubinných vrtech.

Závěr

Díky extrémní tvrdosti, teplotní odolnosti přesahující 3000 °C a vysoké odolnosti proti opotřebení má karbid titanu výjimečné vlastnosti, které se u konkurenčních keramických materiálů nebo tradičních slitin nevyskytují. TiC spolehlivě odolává nejnáročnějším teplotním, chemickým a mechanickým extrémům v každém průmyslovém odvětví.

Navzdory významným výkonnostním výhodám stojí karbid titanu méně než srovnatelné žáruvzdorné kovy, jako je molybden nebo wolfram. Tato jedinečná kombinace schopností a cenové dostupnosti je důvodem rostoucího využití karbidu titanu v leteckém a automobilovém průmyslu, výrobě, energetice a v nejnáročnějších aplikacích na celém světě.

S technologickým pokrokem, který umožňuje spolehlivější výrobu a dostupnost, lze očekávat další zrychlení pronikání karbidu titanu. Materiál určuje řeznou hranu.

znát více procesů 3D tisku