Proszek Ti3Al: Skład, właściwości, zastosowania i nie tylko

Niektóre z kluczowych właściwości i cech proszku Ti3Al obejmują:

• Wysoka wytrzymałość w podwyższonych temperaturach do 750°C
• Gęstość około połowy gęstości nadstopów niklu
• Wyjątkowa odporność na korozję
• Niska gęstość w porównaniu do innych stopów tytanu
• Odporność na utlenianie do około 700°C
• Odporność na zużycie
• Biokompatybilność

Jednak Ti3Al ma również ograniczenia, takie jak słaba ciągliwość w temperaturze pokojowej, niska odporność na pękanie i słaba spawalność. Aby zoptymalizować równowagę właściwości dla różnych zastosowań, wymagana jest odpowiednia obróbka i dodatki stopowe.

Niniejszy artykuł zawiera szczegółowy przegląd składu, właściwości, zastosowań, dostawców, kosztów, metod testowania i innych szczegółów technicznych związanych z proszkiem Ti3Al.

Skład proszku Ti3Al

Proszek Ti3Al ma nominalny skład wagowy 75% tytanu i 25% aluminium. Związek międzymetaliczny glinku tytanu tworzy między 50-75% aluminium, przy czym Ti3Al jest najbardziej rozpowszechnioną wersją.

Dokładny skład może się różnić w zależności od metody produkcji. Inne pierwiastki, takie jak Nb, Mo, Si, B, Ta, W, C i O są często dodawane w niewielkich ilościach w celu poprawy niektórych właściwości. Poniższa tabela przedstawia typowy zakres składu:

Element	Waga %
Tytan (Ti)	69 – 76%
Aluminium (Al)	24 – 31%
Niob (Nb)	0 – 6%
Molibden (Mo)	0 – 4%
Krzem (Si)	0 – 2%
Bor (B)	0 – 0.5%
Tantal (Ta)	0 – 5%
Wolfram (W)	0 – 5%
Węgiel (C)	0 – 0.1%
Tlen (O)	0 – 0.2%

Kontrolowanie zawartości tlenu i węgla ma kluczowe znaczenie dla uniknięcia kruchości i utrzymania plastyczności. Inne pierwiastki śladowe mogą być również obecne w zależności od surowców i procesu.

Właściwości proszku Ti3Al

Unikalne właściwości proszku Ti3Al wynikają z jego uporządkowanej międzymetalicznej struktury krystalicznej składającej się zarówno z atomów tytanu, jak i aluminium. Niektóre z godnych uwagi właściwości obejmują:

Wytrzymałość na wysokie temperatury

Ti3Al zachowuje stosunkowo wysoką wytrzymałość do 750°C, znacznie lepszą niż sam tytan lub aluminium. Dzięki temu nadaje się do zastosowań w podwyższonych temperaturach w silnikach, turbinach, zaworach itp. Poniższa tabela porównuje wytrzymałość Ti3Al z innymi stopami tytanu w różnych temperaturach:

Stop	Wytrzymałość w temperaturze pokojowej (MPa)	Wytrzymałość w 500°C (MPa)	Gęstość (g/cm3)
Ti3Al	400	260	3.9
Ti6Al4V	900	500	4.5
Ti64	900	400	4.5

Niska gęstość

Przy gęstości około 3,7 - 4,1 g/cm3, Ti3Al jest znacznie lżejszy niż nadstopy niklu i większość innych stopów tytanu. Pomaga to zmniejszyć wagę komponentów, co ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach lotniczych.

Odporność na utlenianie

Ti3Al oferuje dobrą odporność na utlenianie do 700°C w powietrzu, lepszą niż niestopowy tytan. Pozwala to na pracę w wysokich temperaturach bez nadmiernej utraty materiału.

Odporność na korozję

Zawartość tytanu zapewnia Ti3Al doskonałą odporność na korozję w szerokim zakresie kwasów, zasad i środowisk zasolonych. Sprawia to, że jest on przydatny w urządzeniach do przetwarzania chemicznego.

Odporność na zużycie

Ti3Al ma dobrą odporność na ścieranie i erozję porównywalną ze stalą, dzięki czemu nadaje się do zastosowań o wysokim zużyciu, takich jak zawory, pompy i matryce do wytłaczania.

Jednak Ti3Al ma również wady, takie jak:

• Słaba ciągliwość i odporność na pękanie w temperaturze pokojowej
• Trudne w produkcji i obróbce
• Słaba spawalność ze względu na podatność na pękanie

Właściwa obróbka i dodatki stopowe są wymagane, aby zoptymalizować równowagę właściwości dla zamierzonego zastosowania.

Zastosowania proszku Ti3Al

Unikalne właściwości proszku Ti3Al sprawiają, że nadaje się on do następujących zastosowań:

Lotnictwo i kosmonautyka

Przemysł lotniczy jest największym konsumentem produktów Ti3Al ze względu na potrzebę zmniejszenia masy, wytrzymałości w wysokich temperaturach i odporności na utlenianie. Typowe zastosowania obejmują:

• Łopatki turbin, łopatki, dyski
• Komory spalania, dopalacze
• Płatowce, elementy konstrukcyjne
• Przewody hydrauliczne, zawory

Motoryzacja

Przemysł motoryzacyjny wykorzystuje Ti3Al do produkcji elementów turbosprężarek, zaworów, sprężyn, elementów złącznych i części układu wydechowego, które wymagają wytrzymałości w wysokich temperaturach i niższej masy.

Przetwarzanie chemiczne

Ti3Al jest stosowany do elementów takich jak zawory, pompy, złączki rurowe, zbiorniki reakcyjne, które wymagają odporności na korozję w połączeniu z właściwościami mechanicznymi w wysokich temperaturach.

Biomedyczne

Biokompatybilność, odporność na korozję i wytrzymałość Ti3Al sprawiają, że nadaje się on do implantów ortopedycznych, takich jak sztuczne stawy biodrowe.

Inne zastosowania obejmują wysokowydajne zawory, matryce do wytłaczania, elementy grzejne i artykuły sportowe. Ti3Al jest również stosowany jako proszek do produkcji dodatków.

Specyfikacja proszku Ti3Al

Proszek Ti3Al jest dostępny w różnych zakresach rozmiarów, morfologii i poziomów czystości w zależności od procesu produkcyjnego. Kluczowe specyfikacje podano poniżej:

Specyfikacja	Szczegóły
Rozmiary cząstek	15 - 150 mikronów
Morfologia	Sferyczne, kątowe, mieszane
Gęstość pozorna	2 - 3,5 g/cm3
Gęstość kranu	3 - 4,5 g/cm3
Czystość	≥99%, ≥99.9%
Zawartość tlenu	≤ 0,2 wt%
Zawartość azotu	≤ 0,05 wt%
Zawartość węgla	≤ 0,08 wt%
Zawartość żelaza	≤ 0,30 wt%
Zawartość niklu	≤ 0,10 wt%
Opakowania standardowe	5 kg, 10 kg, 25 kg

Drobniejsze cząstki generalnie zapewniają lepszą płynność, gęstość upakowania i reaktywność. Sferyczne morfologie również poprawiają przepływ proszku. Wyższa czystość zmniejsza ilość zanieczyszczeń i poprawia właściwości.

Produkcja proszku Ti3Al

Istnieje kilka metod produkcji proszku Ti3Al, w tym:

• Atomizacja gazu - Stopiony stop Ti-Al jest rozpylany za pomocą gazu obojętnego na drobne kropelki, które zestalają się w proszek. W ten sposób powstają kuliste cząstki o dobrej płynności.
• Stopowanie mechaniczne - Proszki pierwiastków Ti i Al są mielone kulowo w celu mechanicznej syntezy związku międzymetalicznego. Cząstki proszku mają nieregularne kształty.
• Sferoidyzacja plazmy - Nieregularny proszek Ti3Al ze stopu mechanicznego jest ponownie topiony w plazmie w celu wytworzenia sferycznego proszku.
• Indukcyjne topienie elektrodowe z atomizacją gazu (EIGA) - Bezpośrednio topi i rozpyla elektrodę Ti3Al w celu wytworzenia proszku.

Atomizacja gazowa i przetwarzanie plazmowe umożliwiają lepszą kontrolę nad rozkładem wielkości cząstek, morfologią, wychwytem tlenu i mikrostrukturą. Proszek musi być zwykle przesiewany do określonych frakcji wielkości po produkcji w oparciu o wymagania aplikacji.

Koszt proszku Ti3Al

Proszek Ti3Al jest znacznie droższy niż sam proszek tytanowy lub aluminiowy. Koszty wahają się pomiędzy:

• $100 - $500 za kg dla proszku atomizowanego gazem o czystości 99%
• $50 - $250 za kg dla mechanicznego proszku stopowego 99%
• $300 - $1000 za kg dla sferoidalnego proszku plazmowego 99,9%

Ceny zależą od wielkości cząstek, morfologii, poziomu czystości, ilości zamówienia i producenta. Niestandardowe stopy o specjalnym składzie mogą kosztować jeszcze więcej. Koszty maleją ze względu na zwiększoną wielkość produkcji i ulepszenia procesu.

Dostawcy proszku Ti3Al

Niektórzy z głównych globalnych dostawców proszku Ti3Al obejmują:

Firma	Lokalizacja
AP&C	Kanada
TLS Technik GmbH	Niemcy
Technologia metalowa	WIELKA BRYTANIA
ATI Powder Metals	USA
Carpenter Additive	USA
Met3DP	Chiny
Tekna	Kanada

Istnieje również kilku producentów w Chinach. Zaleca się pozyskiwanie proszku od uznanych producentów stosujących kwalifikowane procesy produkcyjne w celu zapewnienia niezawodnej jakości i właściwości.

Ti3Al kontra rozwiązania alternatywne

Ti3Al konkuruje z kilkoma alternatywami w zastosowaniach strukturalnych w wysokich temperaturach:

Tabela: Porównanie Ti3Al z innymi stopami wysokotemperaturowymi

Stop	Gęstość	Maksymalna temperatura	Siła	Plastyczność	Odporność na utlenianie	Koszt
Ti3Al	Niski	Bardzo wysoka	Wysoki	Niski	Dobry	Wysoki
Inconel 718	Wysoki	Wysoki	Średni	Średni	Dobry	Średni
Haynes 230	Wysoki	Bardzo wysoka	Wysoki	Niski	Doskonały	Bardzo wysoka
Ti6Al4V	Średni	Średni	Średni	Średni	Doskonały	Średni
Ferrytyczne stale nierdzewne	Średni	Średni	Niski	Wysoki	Słaby	Niski

W przypadku maksymalnych temperatur roboczych, Ti3Al i nadstopy na bazie niklu, takie jak Haynes 230, są lepsze. Niższa gęstość i koszt Ti3Al są jednak korzystne w zastosowaniach o krytycznej masie, takich jak lotnictwo i kosmonautyka.

Słaba ciągliwość Ti3Al w temperaturze pokojowej pozostaje kluczowym ograniczeniem w porównaniu do stali i Ti6Al4V. Rozwój stopów i procesów nadal poprawia skrawalność i podatność na obróbkę.

Zalety proszku Ti3Al

Kluczowe zalety stosowania proszku Ti3Al obejmują:

• Wysoka wytrzymałość utrzymywana do 800°C
• Gęstość 40% niższa niż nadstopów niklu
• Doskonała odporność na pełzanie
• Dobra odporność na utlenianie i korozję
• Zastępowanie metali ogniotrwałych bez ryzyka związanego z materiałami strategicznymi
• Wytwarzanie kształtów zbliżonych do siatki za pomocą metalurgii proszków
• Komponenty mogą pracować w wyższych temperaturach
• Oszczędność masy części obrotowych, takich jak łopatki turbiny
• Zwiększona wydajność dzięki wyższym parametrom pracy

Unikalna równowaga między właściwościami mechanicznymi, niską gęstością i stabilnością termiczną sprawia, że Ti3Al jest doskonałym materiałem dla nowej generacji systemów lotniczych, motoryzacyjnych i energetycznych.

Ograniczenia proszku Ti3Al

Pomimo swoich zalet, Ti3Al ma również pewne wady:

• Kruchy w temperaturze pokojowej, ciągliwość wzrasta powyżej 500°C
• Produkcja i obróbka stanowią wyzwanie
• Szybka utrata właściwości poniżej 400°C
• Koszty surowców i przetwarzania są bardzo wysokie
• Łańcuch dostaw jest ograniczony z kilkoma producentami
• Projektowanie komponentów wymaga specjalistycznej wiedzy inżynierskiej
• Niełatwe do spawania lub łączenia konwencjonalnymi technikami
• Trudne do recyklingu i ponownego użycia

Przeszkody związane z produkcją i kosztami spowolniły do tej pory szerokie komercyjne zastosowanie Ti3Al. Jednak jego możliwości nadal napędzają wysiłki rozwojowe w celu przezwyciężenia tych ograniczeń poprzez ulepszone składy chemiczne stopów, jakość proszku i projektowanie komponentów.

Perspektywy dla proszku Ti3Al

Przewiduje się, że Ti3Al znajdzie szersze zastosowanie w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, przemysłowych turbinach gazowych i sektorach wytwarzania energii ze względu na:

• Rosnące zapotrzebowanie na wydajność paliwową silników odrzutowych i niższe emisje
• Materiały wysokotemperaturowe wymagane dla turbosprężarek elektrycznych
• Rosnący rynek technologii produkcji addytywnej
• Koncentracja na strategicznym zastępowaniu materiałów ziem rzadkich i metali ogniotrwałych
• Redukcja kosztów dzięki zwiększonej wydajności produkcji

Rynki motoryzacyjny i przemysłowy są bardziej wrażliwe na cenę i wymagają wykazania przewagi kosztowej w porównaniu z istniejącymi stopami. Sektor lotniczy jest bardziej skłonny zapłacić wyższą cenę za maksymalną wydajność.

Inicjatywy rządowe w USA, UE i Japonii przyspieszają prace badawczo-rozwojowe nad produkcją proszków Ti3Al, wytwarzaniem komponentów, metodami łączenia i rozwojem stopów. Rozszerzy to przestrzeń zastosowań i zwiększy wskaźniki adopcji.

Często zadawane pytania

P: Do czego służy proszek Ti3Al?

O: Proszek Ti3Al jest używany do produkcji elementów wysokotemperaturowych, takich jak łopatki turbin, koła turbosprężarek, wymienniki ciepła i inne części, które działają w temperaturze 500-800°C. Zapewnia doskonałą równowagę między wysoką wytrzymałością, niską gęstością i dobrą odpornością na utlenianie.

P: Jak powstaje proszek Ti3Al?

O: Typowe metody produkcji obejmują atomizację gazową, atomizację plazmową, atomizację gazową z topieniem indukcyjnym elektrod (EIGA) i stopowanie mechaniczne. Każdy z tych procesów skutkuje inną charakterystyką proszku, dostosowaną do konkretnych zastosowań.

P: Czy proszek Ti3Al jest lepszy niż Inconel 718?

O: Ti3Al ma niższą gęstość, więc zapewnia oszczędność masy w porównaniu z Inconel 718. Ma wyższą wytrzymałość w temperaturach powyżej 700°C. Jednak plastyczność Ti3Al w temperaturze pokojowej jest dość niska, podczas gdy Inconel 718 można łatwo wytwarzać i obrabiać.

P: Jaki jest koszt proszku Ti3Al?

Proszek Ti3Al kosztuje około $450-750 za kg, czyli prawie 5 razy drożej niż nadstopy niklu i 10 razy więcej niż proszki tytanu lub aluminium. Wysoki koszt wynika ze złożonego przetwarzania i ograniczonego popytu na rynku.

P: Jak obchodzić się z proszkiem Ti3Al i jak go przechowywać?

O: Podobnie jak inne reaktywne proszki stopowe, Ti3Al wymaga przechowywania w osłonie gazu obojętnego i bez wilgoci. Należy używać wyłącznie pojemników ceramicznych, szklanych lub nierdzewnych. Środki ostrożności obejmują uziemienie, wentylację i środki ochrony dróg oddechowych.

P: Jakie są wyzwania związane z używaniem proszku Ti3Al?

Kluczowe ograniczenia to niska plastyczność w temperaturze pokojowej, wysoki koszt materiału, ograniczona liczba dostawców, trudności w obróbce/fabrykacji i brak technologii łączenia. Aby rozszerzyć komercyjne zastosowanie, konieczne są ulepszenia stopów, rozwój procesów i optymalizacja konstrukcji komponentów.

P: Jakie są przyszłe perspektywy dla proszku Ti3Al?

O: Przewiduje się, że zużycie proszku Ti3Al znacznie wzrośnie w silnikach lotniczych, turbosprężarkach samochodowych i wysokotemperaturowych zastosowaniach przemysłowych. Inicjatywy mające na celu obniżenie kosztów, poprawę właściwości i dojrzałą produkcję umożliwią szersze zastosowanie.