Порошок Ti3Al: Состав, свойства, области применения и многое другое

К числу основных свойств и характеристик порошка Ti3Al относятся:

• Высокая прочность при повышенных температурах до 750°C
• Плотность примерно в два раза меньше, чем у никелевых суперсплавов
• Выдающаяся коррозионная стойкость
• Низкая плотность по сравнению с другими титановыми сплавами
• Стойкость к окислению до температуры около 700°C
• Износостойкость
• Биосовместимость

Однако Ti3Al имеет и такие недостатки, как низкая пластичность при комнатной температуре, низкая вязкость разрушения и плохая свариваемость. Для оптимизации баланса свойств в различных областях применения требуется соответствующая обработка и легирующие добавки.

В данной статье приводится подробный обзор состава, свойств, областей применения, поставщиков, стоимости, методов испытаний и других технических деталей, связанных с порошком Ti3Al.

Состав порошка Ti3Al

Порошок Ti3Al имеет номинальный состав 75% титана и 25% алюминия по массе. Интерметаллическое соединение алюминида титана образуется в интервале 50-75% алюминия, причем наиболее распространенным вариантом является Ti3Al.

Точный состав может меняться в зависимости от метода производства. Другие элементы, такие как Nb, Mo, Si, B, Ta, W, C и O, часто добавляются в небольших количествах для улучшения определенных свойств. В таблице ниже приведен типичный состав:

Элемент	Вес %
Титан (Ti)	69 – 76%
Алюминий (Al)	24 – 31%
Ниобий (Nb)	0 – 6%
Молибден (Mo)	0 – 4%
Кремний (Si)	0 – 2%
Бор (B)	0 – 0.5%
Тантал (Ta)	0 – 5%
Вольфрам (Вт)	0 – 5%
Углерод (C)	0 – 0.1%
Кислород (O)	0 – 0.2%

Контроль содержания кислорода и углерода имеет решающее значение для предотвращения охрупчивания и сохранения пластичности. В зависимости от сырья и технологического процесса могут присутствовать и другие микроэлементы.

Свойства порошка Ti3Al

Уникальные свойства порошка Ti3Al обусловлены его упорядоченной интерметаллической кристаллической структурой, состоящей из атомов титана и алюминия. К числу таких свойств относятся:

Высокотемпературная прочность

Ti3Al сохраняет относительно высокую прочность до 750°C, что значительно лучше, чем у титана или алюминия. Это делает его пригодным для применения при повышенных температурах в двигателях, турбинах, клапанах и т.д. В таблице ниже приведено сравнение прочности Ti3Al с другими титановыми сплавами при различных температурах:

Сплав	Прочность при комнатной температуре (МПа)	Прочность при 500°C (МПа)	Плотность (г/см3)
Ti3Al	400	260	3.9
Ti6Al4V	900	500	4.5
Ti64	900	400	4.5

Низкая плотность

Имея плотность около 3,7-4,1 г/см3 , Ti3Al значительно легче никелевых суперсплавов и большинства других титановых сплавов. Это позволяет снизить массу деталей, что очень важно в аэрокосмической отрасли.

Устойчивость к окислению

Ti3Al обладает хорошей стойкостью к окислению до 700°C на воздухе, лучше, чем нелегированный титан. Это позволяет работать при высоких температурах без чрезмерных потерь материала.

Коррозионная стойкость

Благодаря содержанию титана Ti3Al обладает отличной коррозионной стойкостью к широкому спектру кислот, щелочей и солевых сред. Это делает его полезным для использования в оборудовании химической промышленности.

Износостойкость

Ti3Al обладает хорошей стойкостью к абразивному износу и эрозии, сравнимой со сталями, что делает его пригодным для применения в таких высокоизносостойких областях, как клапаны, насосы и экструзионные фильеры.

Однако Ti3Al присущи и такие недостатки, как:

• Низкая пластичность и вязкость разрушения при комнатной температуре
• Сложность изготовления и обработки
• Плохая свариваемость из-за склонности к образованию трещин

Для оптимизации баланса свойств в соответствии с назначением требуется соответствующая обработка и добавление легирующих добавок.

Применение порошка Ti3Al

Уникальные свойства порошка Ti3Al позволяют использовать его в следующих областях:

Аэрокосмическая промышленность

Аэрокосмическая промышленность является крупнейшим потребителем продукции из Ti3Al, что обусловлено необходимостью снижения массы, высокотемпературной прочности и стойкости к окислению. Типичные области применения включают:

• Турбинные лопатки, лопасти, диски
• Камеры сгорания, дожигатели
• Планеры, конструктивные элементы
• Гидравлические трубки, клапаны

Автомобильная промышленность

В автомобильной промышленности Ti3Al используется для изготовления деталей турбокомпрессоров, клапанов, пружин, крепежа и деталей выхлопных систем, требующих высокой температурной прочности и меньшей массы.

Химическая обработка

Ti3Al используется для изготовления таких компонентов, как клапаны, насосы, трубопроводная арматура, реакционные сосуды, где требуется коррозионная стойкость в сочетании с высокотемпературными механическими свойствами.

Биомедицина

Биосовместимость, коррозионная стойкость и прочность Ti3Al позволяют использовать его для изготовления ортопедических имплантатов, например, искусственных тазобедренных суставов.

Другие области применения включают высокопроизводительную арматуру, экструзионные фильеры, нагревательные элементы и спортивные товары. Ti3Al также используется в качестве порошка для аддитивного производства.

Технические характеристики порошка Ti3Al

Порошок Ti3Al выпускается в различных диапазонах размеров, морфологии и степени чистоты в зависимости от технологии производства. Основные характеристики приведены ниже:

Спецификация	Подробности
Размеры частиц	15 - 150 мкм
Морфология	Сферические, угловые, смешанные
Кажущаяся плотность	2 - 3,5 г/см3
Плотность отвода	3 - 4,5 г/см3
Чистота	≥991ТП3Т, ≥99,91ТП3Т
Содержание кислорода	≤ 0,2 wt%
Содержание азота	≤ 0,05 wt%
Содержание углерода	≤ 0,08 wt%
Содержание железа	≤ 0,30 wt%
Содержание никеля	≤ 0,10 wt%
Стандартные упаковки	5 кг, 10 кг, 25 кг

Более мелкие частицы обычно обеспечивают лучшую текучесть, плотность упаковки и реакционную способность. Сферическая морфология также улучшает текучесть порошка. Более высокая чистота снижает содержание загрязняющих веществ и улучшает свойства.

Производство порошка Ti3Al

Существует несколько методов получения порошка Ti3Al, в том числе:

• Газовая атомизация - Расплавленный сплав Ti-Al распыляется инертным газом на мелкие капли, которые застывают в порошок. При этом образуются сферические частицы с хорошей текучестью.
• Механическое легирование - Для механического синтеза интерметаллического соединения порошки элементарных Ti и Al подвергаются шаровому измельчению. Частицы порошка имеют неправильную форму.
• Сфероидизация плазмы - Порошок Ti3Al неправильной формы, полученный в результате механического легирования, переплавляется в плазме с получением сферического порошка.
• Электродное индукционное плавление с газовым распылением (ЭИГА) - Прямое расплавление и распыление электрода из Ti3Al с получением порошка.

Газовое распыление и плазменная обработка позволяют лучше контролировать распределение частиц по размерам, морфологию, захват кислорода и микроструктуру. Как правило, после производства порошок должен быть просеян на определенные фракции в зависимости от требований применения.

Стоимость порошка Ti3Al

Порошок Ti3Al значительно дороже, чем порошки титана или алюминия в отдельности. Стоимость варьируется между:

• $100 - $500 за кг для порошка, распыляемого газом чистоты 99%
• $50 - $250 за кг для механически легированного порошка 99%
• $300 - $1000 за кг для плазменного сфероидизированного порошка 99,9%

Цены зависят от размера частиц, морфологии, степени чистоты, объема заказа и производителя. Нестандартные сплавы со специальными составами могут стоить еще дороже. Стоимость снижается благодаря увеличению объемов производства и совершенствованию технологического процесса.

Поставщики порошка Ti3Al

К числу основных мировых поставщиков порошка Ti3Al относятся:

Компания	Расположение
AP&C	Канада
TLS Technik GmbH	Германия
Технология металлов	ВЕЛИКОБРИТАНИЯ
ATI Powder Metals	США
Столярная присадка	США
Met3DP	Китай
Tekna	Канада

Есть несколько производителей и в Китае. Для обеспечения надежного качества и свойств рекомендуется приобретать порошок у проверенных производителей, использующих квалифицированные технологии производства.

Ti3Al в сравнении с альтернативными вариантами

Ti3Al конкурирует с несколькими альтернативами в области высокотемпературных структурных приложений:

Таблица: Сравнение Ti3Al с другими высокотемпературными сплавами

Сплав	Плотность	Максимальная температура	Прочность	Пластичность	Устойчивость к окислению	Стоимость
Ti3Al	Низкий	Очень высокий	Высокая	Низкий	Хороший	Высокая
Инконель 718	Высокая	Высокая	Средний	Средний	Хороший	Средний
Haynes 230	Высокая	Очень высокий	Высокая	Низкий	Отличный	Очень высокий
Ti6Al4V	Средний	Средний	Средний	Средний	Отличный	Средний
Ферритные нержавеющие стали	Средний	Средний	Низкий	Высокая	Бедный	Низкий

Для максимальных рабочих температур лучше использовать Ti3Al и суперсплавы на основе никеля, например Haynes 230. Однако более низкая плотность и стоимость Ti3Al выгодны для критических по весу применений, например, в аэрокосмической промышленности.

Низкая пластичность Ti3Al при комнатной температуре остается ключевым ограничением по сравнению со сталями и Ti6Al4V. Разработка сплавов и технологических процессов продолжает улучшать обрабатываемость и технологичность.

Преимущества порошка Ti3Al

К основным преимуществам использования порошка Ti3Al относятся:

• Высокая прочность сохраняется до 800°C
• Плотность 40% ниже, чем у никелевых сверхпрочных сплавов
• Отличное сопротивление ползучести
• Хорошая стойкость к окислению и коррозии
• Замещение тугоплавких металлов без стратегических материальных рисков
• Изготовление близких к сетке форм методом порошковой металлургии
• Компоненты могут работать при более высоких температурах
• Снижение массы вращающихся деталей, таких как лопатки турбин
• Повышение эффективности за счет более высоких рабочих параметров

Уникальный баланс механических свойств, низкая плотность и термическая стабильность делают Ti3Al перспективным материалом для аэрокосмических, автомобильных и энергетических систем нового поколения.

Недостатки порошка Ti3Al

Несмотря на свои преимущества, Ti3Al имеет и определенные недостатки:

• Хрупкий при комнатной температуре, пластичность повышается при температуре выше 500°C
• Изготовление и обработка сложны
• Быстрая потеря свойств при температуре ниже 400°C
• Затраты на сырье и переработку очень высоки
• Цепочка поставок ограничена, производителей немного
• Разработка компонентов требует специальных инженерных знаний
• Нелегко свариваются или соединяются обычными методами
• Сложность переработки и повторного использования

Производственные и стоимостные трудности до настоящего времени сдерживали широкое коммерческое внедрение Ti3Al. Однако его возможности продолжают стимулировать разработки, направленные на преодоление этих ограничений за счет улучшения химического состава сплава, качества порошка и конструкции деталей.

Перспективы развития порошка Ti3Al

Прогнозируется расширение применения Ti3Al в аэрокосмической и автомобильной промышленности, в производстве газовых турбин и электроэнергии:

• Повышение спроса на топливную эффективность реактивных двигателей и снижение выбросов вредных веществ
• Высокотемпературные материалы, необходимые для электрических турбокомпрессоров
• Растущий рынок технологий аддитивного производства
• Ориентация на стратегическое замещение материалов на редкоземельные и тугоплавкие металлы
• Снижение затрат за счет повышения производительности производства

Автомобильный и промышленный рынки более чувствительны к цене и требуют демонстрации преимущества в стоимости по сравнению с существующими сплавами. Аэрокосмический сектор более готов платить премию за максимальную производительность.

Государственные инициативы в США, ЕС и Японии способствуют ускорению НИОКР в области производства порошка Ti3Al, изготовления деталей, методов соединения и разработки сплавов. Это позволит расширить область применения и повысить темпы внедрения.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Для чего используется порошок Ti3Al?

О: Порошок Ti3Al используется для изготовления высокотемпературных деталей, таких как лопатки турбин, колеса турбокомпрессоров, теплообменники и другие детали, работающие при температурах 500-800°C. Он обеспечивает превосходный баланс высокой прочности, низкой плотности и хорошей стойкости к окислению.

Вопрос: Как изготавливается порошок Ti3Al?

О: К распространенным методам производства относятся газовое распыление, плазменное распыление, газовое индукционное плавление электродов (ЭИГА) и механическое легирование. В результате каждого процесса получаются различные характеристики порошка, подходящие для конкретных применений.

Вопрос: Является ли порошок Ti3Al более качественным, чем Inconel 718?

Ответ: Ti3Al имеет меньшую плотность, что обеспечивает снижение массы по сравнению с Inconel 718. Он обладает более высокой прочностью при температурах выше 700°C. Однако пластичность Ti3Al при комнатной температуре довольно низкая, в то время как Inconel 718 легко поддается изготовлению и механической обработке.

Вопрос: Какова стоимость порошка Ti3Al?

О: Стоимость порошка Ti3Al составляет около $450-750 за кг, что почти в 5 раз дороже никелевых суперсплавов и в 10 раз дороже титановых и алюминиевых порошков. Высокая стоимость обусловлена сложностью обработки и ограниченным спросом на рынке.

Вопрос: Как обрабатывается и хранится порошок Ti3Al?

О: Как и другие порошки реактивных сплавов, Ti3Al требует герметизации инертным газом и хранения без влаги. Следует использовать только керамические, стеклянные или нержавеющие емкости. Меры безопасности включают заземление, вентиляцию и использование СИЗ органов дыхания.

Вопрос: Какие сложности возникают при использовании порошка Ti3Al?

О: Основными ограничениями являются низкая пластичность при комнатной температуре, высокая стоимость материала, ограниченное число поставщиков, сложность механической обработки/изготовления и отсутствие технологий соединения. Для расширения коммерческого применения необходимы совершенствование сплавов, разработка технологических процессов и оптимизация конструкции компонентов.

Вопрос: Каковы перспективы порошка Ti3Al на будущее?

О: Прогнозируется значительный рост использования порошка Ti3Al в аэрокосмических двигателях, автомобильных турбокомпрессорах и высокотемпературных промышленных приложениях. Инициативы по снижению стоимости, улучшению свойств и совершенствованию производства обеспечат более широкое внедрение.