Proszek węglika tytanu

Proszek węglika tytanu to niezwykle twardy materiał ceramiczny wykorzystywany w różnych zastosowaniach przemysłowych, które wymagają wysokiej twardości, odporności na zużycie, przewodności cieplnej i stabilności chemicznej w ekstremalnych temperaturach. Niniejszy artykuł zawiera kompleksowe informacje techniczne na temat proszku TiC, obejmujące właściwości, metody produkcji, zastosowania, dostawców, specyfikacje, gatunki i nie tylko.

Przegląd Proszek węglika tytanu

Proszek węglika tytanu (TiC) składa się z węgla i tytanu, zazwyczaj z niewielkimi ilościami innych pierwiastków metalicznych. Ma bardzo wysoką temperaturę topnienia 3140°C i wysoką twardość zbliżoną do azotku tytanu. Niektóre kluczowe właściwości i cechy obejmują:

Tabela 1: Właściwości i charakterystyka proszku węglika tytanu

Właściwości	Charakterystyka
Wzór chemiczny	TiC
Skład	Tytan (88.1%), karbon (11.9%)
Kolor	Proszek w kolorze od szarego do czarnego
Temperatura topnienia	3140°C
Gęstość	4,93 g/cm3
Twardość w skali Mohsa	2800-3200 HV
Siła	Wysoka wytrzymałość na ściskanie i zginanie
Właściwości termiczne	Wysoka przewodność cieplna i odporność na szok termiczny
Przewodność elektryczna	Metalowy przewodnik elektryczny
Odporność na utlenianie	Odporność na utlenianie do 800°C w powietrzu
Odporność na kwasy	Nierozpuszczalny w kwasach o temperaturze pokojowej

Niektóre kluczowe zalety proszku węglika tytanu to ekstremalna twardość i odporność na zużycie, utrzymanie wytrzymałości mechanicznej w temperaturze powyżej 3100°C oraz obojętność chemiczna. Wady obejmują kruchość i niższą odporność na utlenianie w temperaturze powyżej 800°C w porównaniu do innych węglików.

Metody produkcji

Proszek węglika tytanu może być wytwarzany w kilku procesach produkcyjnych:

Tabela 2: Przegląd metod produkcji proszku z węglika tytanu

Metoda	Opis	Charakterystyka
Bezpośrednia reakcja węglików	Proszek tytanu jest nawęglany przez ogrzewanie węglem w temperaturze powyżej 1600°C	Niższa czystość, większe ziarna
Samonapędzająca się synteza wysokotemperaturowa (SHS)	Wysoce egzotermiczne reakcje termitowe wykorzystywane do produkcji TiC	Drobniejsze ziarna
Sol-żel	Metoda chemiczna na mokro z użyciem prekursorów tytanu i węgla	Bardzo drobne, jednorodne cząstki proszku
Synteza plazmy	TiC uformowany z gazowych reagentów w wyładowaniu plazmowym	Sferyczne nanoproszki o wysokiej czystości
Inne metody	Elektroliza, piroliza laserowa, synteza spalinowa	Specjalistyczne proszki o unikalnych rozmiarach i kształtach

Kluczowe czynniki przy wyborze metody produkcji obejmują wymagane właściwości proszku, takie jak rozmiar cząstek, kształt, poziom czystości i koszt.

Zastosowania Proszek węglika tytanu

Niektóre z głównych zastosowań proszku węglika tytanu obejmują:

Tabela 3: Przegląd zastosowań przemysłowych proszku węglika tytanu

Przemysł	Zastosowania
Lotnictwo i kosmonautyka	Systemy ochrony termicznej, dysze strumieniowe
Motoryzacja	Ceramiczny pancerz pojazdu, tarcze hamulcowe
Produkcja	Narzędzia tnące, matryce formujące, powierzchnie nośne
Budowa	Wkładki dysz, przyciski do wiercenia w kamieniu
Energia	Powłoki na paliwo jądrowe, materiały do reaktorów termojądrowych
Substancje chemiczne	Płynne nośniki katalizatorów, wykładziny odporne na korozję

Węglik tytanu tworzy lekkie kompozyty, takie jak TiC-Ni i TiC-Co o ekstremalnej twardości i odporności na zużycie, odpowiednie do najbardziej wymagających zastosowań mechanicznych i wysokotemperaturowych.

Jest on najbardziej ceniony za następujące funkcje:

• Zachowuje wytrzymałość w temperaturze powyżej 3100°C - zachowuje właściwości tam, gdzie zawodzą stale i węgliki spiekane
• Ekstremalna twardość odporna na ścieranie nawet w wysokich temperaturach
• Niska rozszerzalność cieplna zwiększa odporność na szok termiczny
• Odporność na erozję, korozję i atak chemiczny

Specyfikacje i klasy

Proszek węglika tytanu jest dostępny w standardowych i niestandardowych specyfikacjach:

Tabela 4: Specyfikacje i gatunki proszku węglika tytanu

Parametr	Specyfikacja Zakres
Czystość	89-99.5% TiC
Zawartość węgla	5-15%
Wielkość cząstek	0,5 μm - 45 μm
Kształt cząsteczki	Kulisty, kanciasty, zmiażdżony
Gęstość	4,90 - 5,10 g/cm3
Twardość	2800-3200 HV Vickers
Zawartość tlenu	< 2% wt
Powierzchnia właściwa	0,5 - 15 m2/g
Gęstość kranu	2,0 - 3,5 g/cm3

Stopnie:

• Klasa jądrowa >99% TiC
• Gatunek strukturalny 89-92% TiC
• Gatunek metalurgiczny 70-75% TiC

Gatunki nuklearne o wyższej czystości mają mniej zanieczyszczeń w postaci wolnego węgla, żelaza i niklu. Strukturalny TiC ma wyższą twardość i jednolite grube ziarna.

Normy i metody testowania

Produkty w proszku z węglika tytanu muszą spełniać różne normy dotyczące składu, zanieczyszczeń, rozkładu wielkości cząstek i innych parametrów specyficznych dla końcowego zastosowania. Niektóre powszechne normy obejmują:

Tabela 5: Normy i metody testowania proszku TiC

Standard	Opis
ISO 11358	Proszki węglikowe - Określanie rozkładu wielkości cząstek za pomocą dyfrakcji laserowej
ASTM C1046	Standardowa praktyka kontroli odlewów z tytanu i stopów tytanu
AMS-H-8656	Baza wolframowa, baza kobaltowa, baza żelazowa, baza niklowa; proszek ceramiczny i węglikowy, jakość lotnicza
MIL-PRF-32159	Wymagania wydajnościowe dla odkuwek pierścieniowych ze stopów tytanu w proszku i prasowanych izostatycznie na gorąco (HIP) dla wirujących elementów maszyn turbinowych
GB/T 5481	Metody analizy metalurgicznej proszków węglikowych
JIS R 1611	Metalurgia proszków - Proszki węglikowe Metody pobierania próbek i testowania

Standardy te pomagają zapewnić niezawodność produktu w różnych partiach produkcyjnych i u wielu dostawców. Zarówno dostawcy, jak i użytkownicy końcowi często wykorzystują dodatkowe techniki analityczne, takie jak SEM, EDX, XRD i laserowa analiza wielkości cząstek, aby szczegółowo scharakteryzować materiały.

Dostawcy i ceny

Proszek węglika tytanu jest dostępny w sprzedaży u wielu głównych dostawców na całym świecie. Do wiodących producentów należą:

Tabela 6: Wybrani dostawcy proszku węglika tytanu

Dostawca	Lokalizacja	Klasy produktów
Atlantic Equipment Engineers	USA	Jądrowe, strukturalne, metalurgiczne
H.C. Starck	Niemcy	Stopnie jądrowe, rozpylanie
Kennametal	USA	Niestandardowe stopy i kompozyty
Materion	USA	Gatunki jądrowe o wysokiej czystości
Micron Metals	USA	Standardowe i niestandardowe rozmiary cząstek
Zaawansowane materiały Reade	USA	Proszki i produkty HIP
Materiały ścierne UK	WIELKA BRYTANIA	Różne stopnie czystości

Ceny mogą być bardzo zróżnicowane:

• Proszek TiC klasy jądrowej - $1800+ za kg
• Proszek TiC klasy strukturalnej - $20-100 za kg
• Wlewki TiC dla produktów HIP - $50-200 za kg

Dokładna cena zależy od poziomu czystości, specyfikacji wielkości cząstek, ilości zakupu i innych czynników.

Porównanie Proszek węglika tytanu Alternatywy

Tabela 7: Porównanie proszku węglika tytanu z alternatywnymi twardymi materiałami ceramicznymi

Parametr	Węglik tytanu	Węglik wolframu	Węglik krzemu
Gęstość	4,93 g/cm3	15,63 g/cm3	3,21 g/cm3
Twardość	2800-3200 HV	1300-2400 HV	2400-2800 HV
Maksymalna temperatura użytkowania	3100°C	700°C	1650°C
Odporność na złamania	3-6 MPa√m	10-15 MPa√m	3-5 MPa√m
Odporność na utlenianie	Dobra do 800°C	Słaba powyżej 500°C	Doskonała do 1600°C
Koszt	Umiarkowany	Niski	Niski
Toksyczność	Niski	Wysoki	Niski

Kluczowe różnice:

• Węglik wolframu ma wyższą wytrzymałość
• Węglik krzemu ma lepszą odporność na utlenianie
• Węglik tytanu może wytrzymać ekstremalnie wysokie temperatury
• Węglik tytanu oferuje najlepszą wszechstronną wydajność

Zalety i ograniczenia

Tabela 8: Zalety i ograniczenia proszku węglika tytanu

Zalety	Ograniczenia
Ekstremalna twardość w wysokich temperaturach	Kruchy z niższą odpornością na pękanie
Wysoka odporność na korozję i zużycie	Droższe niż węglik wolframu
Zachowuje wytrzymałość w temperaturze powyżej 3100°C	Łatwo utlenia się w temperaturze powyżej 800°C
Wysoka przewodność cieplna	Wrażliwość na zanieczyszczenie tlenem

Najważniejsze aplikacje w szczegółach

Węglik tytanu umożliwia wyjątkową poprawę wydajności w różnych branżach, od lotnictwa i motoryzacji po produkcję i energetykę. W tej sekcji omówiono kilka kluczowych zastosowań podkreślających doskonałe właściwości węglika tytanu.

Zastosowania lotnicze i kosmiczne

Zastosowania lotnicze wymagają materiałów odpornych na ekstremalne warunki. Węglik tytanu zachowuje wytrzymałość w temperaturze ponad 3000°C, jest odporny na szok termiczny i nie ulega degradacji po wielokrotnych cyklach ogrzewania - idealne właściwości dla komponentów samolotów hipersonicznych.

Wiodące materiały i powłoki

Kompozyty węglika tytanu TiC-Ni i TiC-Co pozwalają ostrym krawędziom natarcia w pojazdach hipersonicznych wytrzymać intensywne tarcie podczas ponownego wejścia w atmosferę do 3200°C. Wydajność jest znacznie wyższa niż w przypadku tradycyjnych kompozytów z grafitową lub ceramiczną matrycą.

Dodatkowo, powłoki z węglika tytanu nakładane metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD) lub fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD) chronią powierzchnie skrzydeł, wloty silnika i inne komponenty przed utlenianiem i zużyciem ściernym przy prędkościach powyżej Mach 5.

Systemy ochrony termicznej

Systemy ochrony termicznej wielokrotnego użytku (TPS) na statkach kosmicznych wytrzymują ekstremalne wahania temperatury od -150°C w przestrzeni kosmicznej do 1650°C podczas ponownego wejścia na orbitę. Węglik tytanu zachowuje wytrzymałość w tym zakresie i jest odporny na pękanie zmęczeniowe po wielokrotnych ekspozycjach lepiej niż inne materiały ceramiczne.

Na przykład w samolocie kosmicznym X-37B zastosowano warstwę TiC w TPS w celu ochrony struktury pojazdu. Ablatory TiC izolują również dysze rakiet i hipersoniczne silniki strumieniowe od gazów spalinowych osiągających temperaturę ponad 3300°C.

Hamulce lotnicze

Hamulce węglowe w samolotach odrzutowych muszą wytrzymywać temperaturę ponad 700°C podczas lądowania przy prędkości 160 węzłów. Jednak węgiel łatwo się utlenia, powodując pylenie i wczesne zużycie.

Zastąpienie elementów karbonowych tarczami i stojanami z węglika tytanu znacznie wydłuża żywotność części i zwiększa dopuszczalną temperaturę hamowania do 1150°C, co skutkuje ogólnie lżejszymi układami hamulcowymi.

Uzbrojenie

Stopiony metal szybko niszczy tradycyjne okładziny luf karabinów, powodując nierównomierne zużycie lub eksplozje luf. Jednak natryskiwane plazmowo powłoki z węglika tytanu są wyjątkowo odporne na erozję metalu i pozwalają na długotrwałe strzelanie z broni wysokiego kalibru poza normalnymi temperaturami roboczymi przy minimalnym zużyciu.

Zastosowania motoryzacyjne

Producenci samochodów nieustannie prowadzą badania nad materiałami pozwalającymi budować szybsze, bezpieczniejsze i lżejsze samochody osobowe i ciężarowe. Przemysł samochodowy intensywnie wykorzystuje węglik tytanu do produkcji pancerzy, hamulców i elementów silnika.

Pancerz pojazdu

Pojazdy wojskowe wykorzystują kompozyty ceramiczne z węglika tytanu, takie jak TiC-Kevlar, zamiast tradycyjnej stali do produkcji pancerzy balistycznych. Zmniejsza to wagę o 30%, jednocześnie zwiększając poziom ochrony przed zagrożeniami przebijającymi pancerz.

Laminaty ceramiczne z powierzchnią uderzeniową TiC lepiej rozpraszają i deformują nadlatujące pociski w porównaniu z płytami metalowymi. Lżejszy pancerz poprawia mobilność pojazdu i oszczędność paliwa, co ma kluczowe znaczenie dla misji bojowych.

Tarcze hamulcowe

Formuła 1 i inne pojazdy o wysokich osiągach wykorzystują tarcze hamulcowe z kompozytu CMC (ceramic matrix composite) z węglika tytanu, aby wytrzymać ekstremalne temperatury wynikające z powtarzających się sił G hamowania przy prędkościach do 350 km/h.

Tarcze TiC poprawiają również siłę hamowania i eliminują problemy z zanikiem hamulców, które nękają wysokiej klasy samochody sportowe podczas wyścigów. Regeneracyjne układy hamulcowe w pojazdach elektrycznych również opierają się na tarczach z węglika tytanu, zapewniając ekstremalną tolerancję na ciepło.

Komponenty zużywające się

Węglik tytanu wydłuża żywotność wysoko obciążonych elementów silnika podatnych na ścieranie w wysokich temperaturach powyżej 1000°C. Przykładowo, zastąpienie tradycyjnych stalowych zaworów i wkładek tulei tłokowych wersjami TiC pozwala uzyskać o 50-100% dłuższy czas pracy, zanim zużycie osiągnie granice awaryjności.

W powlekanych otworach silnika TiC przewyższa obecnie stosowane powłoki niklowo-węglikowe natryskiwane cieplnie. Pozwala to na uzyskanie wyższych ciśnień szczytowych i temperatur spalania w celu zwiększenia wydajności paliwowej.

Narzędzia tnące

Wszyscy główni dostawcy narzędzi skrawających oferują szeroką gamę płytek, wierteł, frezów walcowo-czołowych i narzędzi specjalnych z podłożem z węglika tytanu połączonego z innymi węglikami, ceramiką lub powłokami diamentowymi.

Odporność na zużycie

TiC utrzymuje twardość powyżej temperatury mięknienia konwencjonalnych stali narzędziowych wynoszącej około 600°C, umożliwiając szybsze usuwanie materiału, wyższe prędkości skrawania i mniejsze zużycie w zastosowaniach wymagających obróbki szybkościowej na sucho.

Właściwości termiczne

Wysoka przewodność cieplna zapobiega powstawaniu miejscowych gorących punktów podczas przerywanych cięć, które powodują pękanie narzędzi. TiC wykazuje również minimalną rozszerzalność cieplną równą diamentowi - co ma krytyczne znaczenie dla precyzyjnych narzędzi do mikroprodukcji.

Ulepszenia wydajności

Zastąpienie tradycyjnych komponentów z węglika wolframu, takich jak płytki wymienne, ulepszonymi płytkami TiC wydłuża żywotność narzędzia 2-4 razy przy tych samych parametrach roboczych. Alternatywnie, prędkości skrawania lub posuwy mogą zostać znacznie zwiększone przy jednoczesnym osiągnięciu tych samych poziomów zużycia płytek.

W przypadku trudnych w obróbce stopów lotniczych nowej generacji, takich jak Inconel 718, glinek tytanu TiAl i kompozyty o osnowie metalowej MMC, oprzyrządowanie z węglika tytanu umożliwia realne opcje produkcji, które w innym przypadku nie byłyby możliwe.

Wkładki dysz

Dysze z węglika tytanu są odporne na silnie erozyjne przepływy cząstek, obsługując materiały ścierne od materiałów rolniczych i przetwarzania minerałów po śrutowanie i spiekanie metali w proszku:

Odporność na ścieranie

Wkładki dyszowe TiC stosowane w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i specjalistycznych chemikaliów rutynowo przewyższają tradycyjne wersje z węglika wolframu, węglika krzemu i węglika chromu o 300 - 500% w ekstremalnie ściernych strumieniach drobnego proszku.

Ochrona przed wysokimi prędkościami

Osłony z węglika tytanu zawierające wiry powietrza chłodzącego chronią kompozytowe łopatki silnika samolotu przed napływającym żwirem o prędkości przekraczającej 650 m/s. Podczas testów ochrony łopatek, komponenty TiC przetrwały przebicia łopatek spowodowane dezintegracją wentylatora w stanie nienaruszonym, podczas gdy alternatywne materiały pękały.

Użytkowanie w ekstremalnych temperaturach

Dysze do natryskiwania plazmowego do produkcji stopionego cyrkonu, stali i włókna szklanego składają się z wolnostojących rur TiC bez dodatkowego chłodzenia. TiC niezawodnie wytrzymuje korozję żużlową i strumienie ciepła wyrzucanych kropel metalu przekraczające 3000°C, które z łatwością niszczą stopy kobaltu i niklu.

Zastosowania jądrowe

Węglik tytanu jest szeroko stosowany w przemyśle energii jądrowej, od okładzin paliw jądrowych po ochronę pierwszej ściany w eksperymentalnych reaktorach termojądrowych.

Okładzina paliwowa

Konwencjonalne cyrkonowe stopy okładzin paliwowych mogą utleniać się, topić i uwalniać radioaktywne izotopy podczas wypadku przegrzania rdzenia reaktora. Jednak powłoki z węglika tytanu pozwalają na chłodniejsze i wolniejsze reakcje, tworząc pasywującą warstwę TiO2, która zatrzymuje uciekające cząsteczki - znacznie zwiększając limity bezpieczeństwa.

Komponenty do napawania plazmowego

Wewnątrz eksperymentalnych reaktorów termojądrowych tokamak, intensywne strumienie ciepła plazmy o mocy 40 MW/m2 szybko erodują stałe płytki pancerza, ponieważ cząstki termojądrowe i promieniowanie rentgenowskie nieustannie bombardują powierzchnie. Natryskiwane termicznie warstwy lub wolnostojące elementy TiC lepiej znoszą te trudne warunki, zapewniając 2-3 razy dłuższą żywotność operacyjną w porównaniu z alternatywami wolframowymi, zanim będą wymagały wymiany.

Pojemniki na odpady radioaktywne

Po ponownym przetworzeniu paliwa, wysoko radioaktywne ciecze są zeszkliwione w kłodach ze szkła borokrzemianowego przechowywanych w odpornych na korozję kanistrach. Całkowita nieprzepuszczalność węglika tytanu dla gazów i cieczy w okresach geologicznych umożliwia bezpieczne przechowywanie przez długi czas bez wycieków do środowiska.

Wiercenie ropy i gazu

Węglik tytanu zasługuje na szczególne wyróżnienie jako najtwardszy, najgorętszy i najbardziej odporny na zużycie materiał do wiercenia w skałach, jaki kiedykolwiek opracowano. Przyciski TC stały się złotym standardem w branży wiertniczej w przemyśle naftowym, gazowym i geotermalnym, przewyższając wcześniejsze rozwiązania z polikrystalicznego diamentu kompaktowego (PDC).

Tarcie skał

Obrotowe wiertła stożkowe wykorzystywane do głębokich wierceń lądowych do głębokości 6000 m napotykają ekstremalne naciski na czoło skały i strumienie ciepła tarcia 100 kW podczas skrawania. Stałe płytki TC utrzymują twardość przekraczającą 3200 HV w tych warunkach, jednocześnie wiercąc 5-10 razy szybciej niż zęby stalowe, zanim będą wymagały wymiany.

Szybka penetracja skał

Firmy zajmujące się wierceniem geotermalnym i naftowo-gazowym, specjalizujące się w twardych warstwach osadowych lub bazaltowych, używają wyłącznie wierteł TC, osiągając współczynniki penetracji do 4x wyższe niż alternatywne typy wierteł o równoważnej żywotności.

Podsumowując - nic nie przecina skał lepiej niż węglik tytanu, jednocześnie wytrzymując trudne warunki panujące w otworach wiertniczych.

Wnioski

Dzięki ekstremalnej twardości, odporności na temperatury przekraczające 3000°C i wysokiej odporności na zużycie, węglik tytanu zapewnia wyjątkowe właściwości materiałowe, których nie można znaleźć w konkurencyjnej ceramice lub tradycyjnych stopach. TiC niezawodnie wytrzymuje najbardziej gwałtowne ekstremalne warunki termiczne, chemiczne i mechaniczne w każdej branży.

Jednak pomimo znaczących korzyści w zakresie wydajności, węglik tytanu kosztuje mniej niż porównywalne metale ogniotrwałe, takie jak molibden czy wolfram. To unikalne połączenie możliwości i przystępnej ceny napędza rosnące wykorzystanie węglika tytanu w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, produkcyjnym, energetycznym i najbardziej wymagających zastosowaniach na całym świecie.

Wraz z postępem technologicznym umożliwiającym bardziej niezawodną produkcję i dostępność, należy spodziewać się dalszego przyspieszenia penetracji węglika tytanu. Materiał definiuje krawędź tnącą.

poznaj więcej procesów druku 3D