Titaniumcarbide poeder

Titaancarbidepoeder is een extreem hard keramisch materiaal dat wordt gebruikt in een verscheidenheid aan industriële toepassingen die een hoge hardheid, slijtvastheid, thermische geleidbaarheid en chemische stabiliteit bij extreme temperaturen vereisen. Dit artikel biedt een uitgebreide technische referentie over TiC poeder met eigenschappen, productiemethoden, toepassingen, leveranciers, specificaties, kwaliteiten en meer.

Overzicht van Titaniumcarbide poeder

Titaancarbidepoeder (TiC) is samengesteld uit koolstof en titanium, meestal met kleine hoeveelheden van andere metaalelementen. Het heeft een extreem hoog smeltpunt van 3140 °C en een hoge hardheid die dicht in de buurt komt van titaniumnitride. Enkele belangrijke eigenschappen en kenmerken zijn:

Tabel 1: Eigenschappen en kenmerken van titaniumcarbidepoeder

Eigenschappen	Kenmerken
Chemische formule	TiC
Samenstelling	Titanium (88.1%), Koolstof (11.9%)
Kleur	Grijs tot zwart poeder
Smeltpunt	3140°C
Dikte	4,93 g/cm3
Mohs-hardheid	2800-3200 HV
Kracht	Hoge druksterkte en buigsterkte
Thermische eigenschappen	Hoge thermische geleidbaarheid en weerstand tegen thermische schokken
Elektrische geleiding	Metalen elektrische geleider
Oxidatie weerstand	Bestand tegen oxidatie tot 800°C in lucht
Zuurbestendigheid	Onoplosbaar in zuren op kamertemperatuur

Enkele belangrijke voordelen van titaancarbidepoeder zijn extreme hardheid en slijtvastheid, behoud van mechanische sterkte boven 3100°C en chemische inertie. Nadelen zijn brosheid en een lagere weerstand tegen oxidatie boven 800°C in vergelijking met andere carbiden.

Productiemethoden

Titaancarbidepoeder kan via verschillende productieprocessen worden geproduceerd:

Tabel 2: Overzicht van de fabricagemethoden voor titaniumcarbidepoeder

Methode	Beschrijving	Kenmerken
Directe carbidreactie	Titaanpoeder wordt gecarboniseerd door verhitting met koolstof boven 1600°C	Lagere zuiverheid, grotere korrels
Zelfproducerende synthese bij hoge temperatuur (SHS)	Zeer exotherme thermietreacties gebruikt om TiC te produceren	Fijnere korrelgroottes
Sol-gel	Natte chemische methode met gebruik van titanium en koolstof precursors	Ultrafijne uniforme poederdeeltjes
Plasmasynthese	TiC gevormd uit gasvormige reactanten in plasmaontlading	Bolvormige nanopoeders met hoge zuiverheid
Andere methoden	Elektrolyse, laserpyrolyse, verbrandingssynthese	Speciale poeders met unieke afmetingen en vormen

Belangrijke factoren bij het kiezen van een productiemethode zijn de vereiste poederkenmerken zoals deeltjesgrootte, vorm, zuiverheidsgraad en kosten.

Toepassingen van Titaniumcarbide poeder

Enkele belangrijke toepassingen voor titaancarbidepoeder zijn:

Tabel 3: Overzicht van industriële toepassingen van titaniumcarbidepoeder

Industrie	Toepassingen
Lucht- en ruimtevaart	Thermische beveiligingssystemen, straalpijpen
Automobiel	Keramische voertuigbepantsering, remschijven
Productie	Snijgereedschappen, vormmatrijzen, lageroppervlakken
Bouw	Mondstukvoeringen, rotsboorknoppen
Energie	Bekledingen van splijtstof, materialen voor fusiereactoren
Chemicaliën	Vloeibare katalysatorsteunen, corrosiebestendige bekledingen

Titaancarbide creëert lichtgewicht composieten zoals TiC-Ni en TiC-Co met extreme hardheid en slijtvastheid die geschikt zijn voor de meest veeleisende mechanische toepassingen en toepassingen bij hoge temperaturen.

Het wordt het meest gewaardeerd om de volgende mogelijkheden:

• Behoudt sterkte boven 3100°C - behoudt eigenschappen waar staal en carbides falen
• Extreme hardheid weerstaat slijtage door schuren, zelfs bij hoge temperaturen
• Lage thermische uitzetting helpt weerstand tegen thermische schokken
• Bestand tegen erosie, corrosie en chemische aantasting

Specificaties en kwaliteiten

Titaancarbidepoeder is verkrijgbaar in standaard en klantspecifieke specificaties:

Tabel 4: Specificaties en kwaliteiten van titaniumcarbidepoeder

Parameter	Specificatie Bereik
Puurheid	89-99,5% TiC
Koolstofgehalte	5-15%
Deeltjesgrootte	0,5 μm - 45 μm
Deeltjesvorm	Bolvormig, hoekig, geplet
Dikte	4,90 - 5,10 g/cm3
Hardheid	2800-3200 HV Vickers
Zuurstofgehalte	< 2% wt
Specifiek oppervlak	0,5 - 15 m2/g
Tik op dichtheid	2,0 - 3,5 g/cm3

Cijfers:

• Kernkwaliteit >99% TiC
• Bouwkwaliteit 89-92% TiC
• Metallurgische kwaliteit 70-75% TiC

Kernkwaliteiten met een hogere zuiverheid hebben minder vrije koolstof, ijzer en nikkelverontreinigingen. Structureel TiC heeft een hogere hardheid en uniforme grove korrels.

Standaarden en testmethoden

Titaancarbidepoederproducten moeten voldoen aan verschillende toepassingsnormen voor samenstelling, onzuiverheden, deeltjesgrootteverdeling en andere parameters die specifiek zijn voor het eindgebruik. Enkele veelvoorkomende normen zijn:

Tabel 5: Normen en testmethoden voor TiC-poeder

Standaard	Beschrijving
ISO 11358	Hardmetalen poeders - Bepaling van de korrelgrootteverdeling met laserdiffractie
ASTM C1046	Standaardpraktijk voor inspectie van gietstukken van titanium en titaniumlegeringen
AMS-H-8656	Wolfraambasis, kobaltbasis, ijzerbasis, nikkelbasis; keramiek en carbidepoeder, vliegtuigkwaliteit
MIL-PRF-32159	Prestatie-eisen voor ringgesmede producten van titaanlegeringen in poedervorm en warm isostatisch geperst (HIP) voor roterende onderdelen van turbomachines
GB/T 5481	Metallurgische analysemethoden voor carbidpoeders
JIS R 1611	Poedermetallurgie - Carbidepoeders Bemonsterings- en testmethoden

Deze standaarden helpen de betrouwbaarheid van producten te garanderen voor verschillende productiepartijen en meerdere leveranciers. Zowel leveranciers als eindgebruikers maken vaak gebruik van aanvullende analytische technieken zoals SEM, EDX, XRD en laser deeltjesgrootte analyse om materialen in detail te karakteriseren.

Leveranciers en prijzen

Titaancarbidepoeder is wereldwijd verkrijgbaar bij veel grote leveranciers. Enkele toonaangevende fabrikanten zijn:

Tabel 6: Geselecteerde leveranciers van titaniumcarbidepoeder

Leverancier	Plaats	Productkwaliteiten
Atlantische apparatuuringenieurs	ONS	Nucleair, structureel, metallurgisch
H.C. Starck	Duitsland	Nucleair, sputterkwaliteiten
Kennametal	ONS	Aangepaste legeringen en composieten
Materion	ONS	Zeer zuivere nucleaire kwaliteiten
Micron metalen	ONS	Standaard en aangepaste deeltjesgroottes
Reade Geavanceerde Materialen	ONS	Poeders en HIP-producten
UK Schuurmiddelen	Groot-Brittannië	Meerdere zuiverheden

De prijzen kunnen sterk uiteenlopen:

• Nucleair TiC-poeder - $1800+ per kg
• TiC poeder voor constructies - $20-100 per kg
• TiC-ingots voor HIP-producten - $50-200 per kg

Exacte prijzen zijn afhankelijk van zuiverheidsniveaus, specificaties van de deeltjesgrootte, aankoophoeveelheden en meer.

vergelijken Titaniumcarbide poeder naar alternatieven

Tabel 7: Vergelijking van titaniumcarbidpoeder met alternatieve harde keramische materialen

Parameter	Titaancarbide	Wolfraamcarbide	Silicium carbide
Dikte	4,93 g/cm3	15,63 g/cm3	3,21 g/cm3
Hardheid	2800-3200 HV	1300-2400 HV	2400-2800 HV
Max. gebruikstemperatuur	3100°C	700°C	1650°C
Breuktaaiheid	3-6 MPa√m	10-15 MPa√m	3-5 MPa√m
Oxidatie weerstand	Goed tot 800°C	Slecht boven 500°C	Uitstekend tot 1600°C
Kosten	Gematigd	Laag	Laag
Toxiciteit	Laag	Hoog	Laag

Belangrijkste verschillen:

• Wolfraamcarbide heeft een hogere taaiheid
• Siliciumcarbide is beter bestand tegen oxidatie
• Titaniumcarbide is bestand tegen extreem hoge temperaturen
• Titaniumcarbide biedt de beste allround prestaties

Voordelen en beperkingen

Tabel 8: Voordelen vs. beperkingen van titaniumcarbidepoeder

Voordelen	Beperkingen
Extreme hardheid bij hoge temperaturen	Bros met lagere breuktaaiheid
Hoge corrosie- en slijtvastheid	Duurder dan wolfraamcarbide
Behoudt sterkte boven 3100°C	Oxideert gemakkelijk boven 800°C
Hoge thermische geleidbaarheid	Gevoelig voor zuurstofverontreiniging

Belangrijkste toepassingen in de diepte

Titaancarbide maakt uitzonderlijke prestatieverbeteringen mogelijk in industrieën variërend van lucht- en ruimtevaart en de auto-industrie tot fabricage en energie. In dit gedeelte worden enkele belangrijke toepassingen besproken die de superieure eigenschappen van titaancarbide benadrukken.

Lucht- en ruimtevaarttoepassingen

Voor ruimtevaarttoepassingen zijn materialen nodig die bestand zijn tegen extreme omgevingen. Titaniumcarbide behoudt zijn sterkte boven 3000 °C, is bestand tegen thermische schokken en degradeert niet na herhaalde verhittingscycli - ideale eigenschappen voor onderdelen van hypersonische vliegtuigen.

Toonaangevende materialen en coatings

Dankzij titaniumcarbide composieten TiC-Ni en TiC-Co zijn scherpe vleugelvoorranden van hypersonische voertuigen bestand tegen intense wrijvingsverhitting tijdens atmosferische terugkeer tot 3200°C. De prestaties zijn veel beter dan die van traditionele composieten met een grafiet of keramische matrix.

Bovendien beschermen titaniumcarbide coatings die worden aangebracht via chemische dampafzetting (CVD) of fysische dampafzetting (PVD) vleugeloppervlakken, motorinlaten en andere onderdelen tegen oxidatie en abrasieve slijtage bij snelheden boven Mach 5.

Thermische beschermingssystemen

Herbruikbare thermische beschermingssystemen (TPS) op ruimtevaartuigen worden blootgesteld aan extreme temperatuurschommelingen van -150°C in de ruimte tot 1650°C tijdens terugkeer in de dampkring. Titaniumcarbide behoudt in dit bereik zijn sterkte en is beter bestand tegen thermische vermoeidheidsscheuren na herhaalde blootstelling dan andere keramische materialen.

Het X-37B ruimtevliegtuig gebruikt bijvoorbeeld een TiC-laag in zijn TPS om de onderliggende voertuigstructuur te beschermen. TiC-ablators isoleren ook raketstraalpijpen en hypersonische scramjetmotoren tegen uitlaatgassen die 3300+°C bereiken.

Luchtvaartremmen

Koolstofremmen op straalvliegtuigen moeten bestand zijn tegen meer dan 700°C tijdens landingen bij snelheden van 160 knopen. Koolstof oxideert echter snel wat leidt tot stofvorming en vroegtijdige slijtage.

Door koolstofonderdelen te vervangen door rotors en stators van titaniumcarbide wordt de levensduur van de onderdelen aanzienlijk verlengd en wordt de toegestane remtemperatuur verhoogd tot 1150°C, wat resulteert in lichtere remsystemen.

Bewapening

Gesmolten metaal vernietigt snel de traditionele voeringen van geweerlopen en veroorzaakt ongelijkmatige slijtage of explosies. Coatings van titaniumcarbide die met een plasmaspuit zijn aangebracht, zijn echter uitzonderlijk goed bestand tegen metaalerosie en maken het mogelijk om met minimale slijtage te blijven vuren op wapens met een hoog kaliber die de normale bedrijfstemperaturen overschrijden.

Automotive toepassingen

Autofabrikanten doen voortdurend onderzoek naar materialen om snellere, veiligere en lichtere auto's en vrachtwagens te bouwen. De auto-industrie maakt veel gebruik van titaniumcarbide voor pantsering, remmen en motoronderdelen.

Voertuig bepantsering

Militaire voertuigen gebruiken keramische composieten van titaniumcarbide zoals TiC-Kevlar in plaats van traditioneel staal voor ballistische bepantsering. Dit vermindert het gewicht met 30% terwijl het beschermingsniveau tegen pantserdoorborende bedreigingen zelfs toeneemt.

Keramische laminaten met een TiC slagvlak verspreiden en vervormen inkomende projectielen beter dan metalen platen. Lichtere bepantsering verbetert de mobiliteit van het voertuig en de brandstofefficiëntie die essentieel is voor gevechtsmissies.

Remschijven

Formule 1 en andere voertuigen met hoge prestaties maken gebruik van keramische matrix composiet (CMC) remschijven van titaniumcarbide om extreme temperaturen aan te kunnen bij herhaalde G-krachten bij topsnelheden tot 350 km/u.

TiC-schijven verbeteren ook de remkracht en voorkomen remfadingproblemen die high-end sportauto's plagen tijdens het racen. Regeneratieve remsystemen op elektrische voertuigen vertrouwen ook op rotoren van titaniumcarbide voor extreme warmtetolerantie.

Slijtageonderdelen

Titaancarbide verlengt de levensduur van zwaar belaste motoronderdelen die gevoelig zijn voor slijtage bij hoge temperaturen boven 1000°C. Door bijvoorbeeld traditionele stalen kleppen en zuigerhulsinzetstukken te vervangen door TiC-versies, worden 50-100% langere bedrijfstijden bereikt voordat slijtage de grenzen van defecten bereikt.

In gecoate motorboringen presteert TiC beter dan de nikkel-carbide thermische spuitcoatings die momenteel worden gebruikt. Dit maakt hogere piekdrukken en verbrandingstemperaturen mogelijk voor een efficiënter brandstofverbruik.

Snijgereedschappen

Alle grote leveranciers van snijgereedschap bieden een uitgebreid assortiment wisselplaatjes, boren, schachtfrezen en speciale gereedschappen met een titaancarbide substraat gebonden met andere hardmetalen, keramische of diamant coatings.

Slijtvastheid

TiC behoudt de hardheid voorbij het verwekingspunt van conventioneel gereedschapsstaal rond 600°C, waardoor snellere materiaalafname, hogere snijsnelheden en minder slijtage mogelijk zijn bij droge bewerkingstoepassingen met hoge snelheid.

Thermische eigenschappen

De hoge thermische geleidbaarheid voorkomt plaatselijke hete plekken tijdens onderbroken snedes die gereedschapbreuk veroorzaken. TiC vertoont ook een minimale thermische uitzetting gelijk aan diamant - essentieel voor microfabricage van precisiegereedschap.

Prestatie-upgrades

Door traditionele hardmetalen onderdelen zoals indexeerbare wisselplaten te vervangen door TiC-upgrades wordt de standtijd 2-4x verlengd bij dezelfde bedrijfsparameters. Als alternatief kunnen snijsnelheden of voedingssnelheden aanzienlijk verhoogd worden terwijl dezelfde slijtageniveaus van de wisselplaat bereikt worden.

Voor de volgende generatie luchtvaartlegeringen die moeilijk te bewerken zijn, zoals Inconel 718, titaanaluminide TiAl en metaalmatrixcomposieten MMC's, maakt gereedschap van titaancarbide levensvatbare productiemogelijkheden mogelijk die anders niet mogelijk zouden zijn.

Mondstuk inzetstukken

Spuitmonden van titaniumcarbide zijn bestand tegen zeer eroderende deeltjesstromen waarmee abrasieve materialen worden verwerkt, van landbouwmaterialen en mineralenverwerking tot shotpeening en sinteren van poedermetalen:

Schuurweerstand

TiC sproeierinzetstukken die gebruikt worden bij de verwerking van voedingsmiddelen, farmaceutica en speciale chemicaliën gaan standaard 300 - 500% langer mee dan traditionele versies van wolfraamcarbide, siliciumcarbide en chroomcarbide in extreem schurende fijne poederstromen.

Bescherming tegen hoge snelheid

Titaancarbide beschermkappen met vortexen van koellucht beschermen composiet vliegtuigmotorbladen tegen inkomend grit met een snelheid van meer dan 650 m/s. Tijdens tests om de bladen in bedwang te houden, overleven de TiC-componenten intact de perforaties in de bladen als gevolg van desintegratie van de ventilator, waar alternatieve materialen breken.

Gebruik bij extreme temperaturen

Plasmaspuitmonden voor de productie van gesmolten zirkonium, staal en glasvezel bestaan uit vrijstaande TiC-buizen zonder extra koeling. TiC is op betrouwbare wijze bestand tegen slakcorrosie en warmtestromen van meer dan 3000°C bij het uitwerpen van metaaldruppels, die gemakkelijk kobalt- en nikkellegeringen vernietigen.

Nucleaire toepassingen

Titaancarbide wordt op grote schaal gebruikt in de kernenergiesector, van de bekleding van splijtstoffen tot de bescherming van de eerste wand in experimentele fusiereactoren.

Brandstofbekleding

Conventionele zirkonium splijtstofbekledingslegeringen kunnen oxideren, smelten en radioactieve isotopen vrijlaten bij een ongeluk met een oververhitte reactorkern. Titaancarbide coatings zorgen echter voor koelere, langzamere reacties waarbij een passiverende TiO2-laag wordt gevormd om ontsnappende deeltjes in te sluiten - waardoor de veiligheidslimieten aanzienlijk worden verhoogd.

Onderdelen voor plasmafacing

In experimentele tokamak-fusiereactoren eroderen intense 40 MW/m2 plasmahittefluxen snel solide pantserdegels doordat fusordeeltjes en röntgenstraling voortdurend oppervlakken bombarderen. Thermisch gespoten lagen of vrijstaande TiC-componenten zijn beter bestand tegen deze zware omstandigheden en hebben een 2-3x langere operationele levensduur in vergelijking met wolfraamalternatieven voordat ze vervangen moeten worden.

Containers voor radioactief afval

Na de opwerking van splijtstof worden hoogradioactieve vloeistoffen verglaasd in blokken van borosilicaatglas die worden opgeslagen in corrosiebestendige bussen. De volledige ondoordringbaarheid van titaniumcarbide voor gassen en vloeistoffen gedurende geologische perioden maakt veilige langdurige opslag zonder lekkage naar het milieu mogelijk.

Olie- en gasboringen

Titaancarbide verdient een speciale onderscheiding als het hardste, heetste, meest slijtvaste materiaal voor rotsboorinzetstukken dat ooit is ontwikkeld. TC buttons zijn de gouden standaard geworden in de olie-, gas- en geothermische boorindustrie en overtreffen eerdere polykristallijne diamant compact (PDC) oplossingen.

Wrijvingsschuring van gesteente

Roterende kegelboren die gebruikt worden voor diep landboren tot 6000 m diepte hebben te maken met extreme druk op de rotswand en 100 kW wrijvingswarmtestromen tijdens het boren. Inzetstukken van massief TC behouden onder deze omstandigheden een hardheid van meer dan 3200 HV terwijl ze 5-10x sneller boren dan stalen tanden voordat ze moeten worden vervangen.

Penetratie van rotsen met hoge snelheid

Geothermische en olie-/gasboorbedrijven die gespecialiseerd zijn in harde sedimentaire of basaltlagen gebruiken uitsluitend TC-knoopbits die penetratiesnelheden klokken die tot 4x hoger liggen dan alternatieve boortypes met een gelijkwaardige levensduur.

Kortom - niets snijdt beter door rotsen dan titaancarbide en is beter bestand tegen de zware omstandigheden in het boorgat.

Conclusie

Met zijn extreme hardheid, temperatuurbestendigheid van meer dan 3000 °C en hoge slijtvastheid biedt titaancarbide uitzonderlijke materiaaleigenschappen die niet te vinden zijn in concurrerende keramische materialen of traditionele legeringen. TiC weerstaat op betrouwbare wijze de hevigste thermische, chemische en mechanische extremen in elke industrie.

Maar ondanks de aanzienlijke prestatievoordelen kost titaancarbide minder dan vergelijkbare vuurvaste metalen zoals molybdeen of wolfraam. Deze unieke combinatie van mogelijkheden en betaalbaarheid zorgt ervoor dat titaancarbide steeds meer wordt gebruikt in de ruimtevaart, auto-industrie, productie, energie en de meest veeleisende toepassingen wereldwijd.

Naarmate de technologie zich verder ontwikkelt en betrouwbaardere productie en beschikbaarheid mogelijk maakt, zal de penetratie van titaancarbide verder versnellen. Het materiaal bepaalt de snijkant.

ken meer 3D-printprocessen