Порошок карбида титана

Порошок карбида титана - это чрезвычайно твердый керамический материал, используемый в различных областях промышленности, где требуется высокая твердость, износостойкость, теплопроводность и химическая стабильность при экстремальных температурах. В этой статье представлена полная техническая информация о порошке TiC, включающая в себя свойства, методы производства, области применения, поставщиков, спецификации, марки и многое другое.

Обзор Порошок карбида титана

Порошок карбида титана (TiC) состоит из углерода и титана, обычно с небольшим количеством других металлических элементов. Он имеет чрезвычайно высокую температуру плавления 3140°C и высокую твердость, близкую к твердости нитрида титана. Некоторые ключевые свойства и характеристики включают:

Таблица 1: Свойства и характеристики порошка карбида титана

Свойства	Характеристики
Химическая формула	TiC
Состав	Титан (88.1%), карбон (11.9%)
Цвет	От серого до черного цвета порошка
Температура плавления	3140°C
Плотность	4,93 г/см3
Твердость по шкале Мооса	2800-3200 HV
Прочность	Высокая прочность на сжатие и изгиб
Тепловые свойства	Высокая теплопроводность и устойчивость к тепловому удару
Электропроводность	Металлический электрический проводник
Устойчивость к окислению	Стойкость к окислению до 800°C на воздухе
Кислотостойкость	Нерастворим в кислотах комнатной температуры

К основным преимуществам порошка карбида титана относятся высокая твердость и износостойкость, сохранение механической прочности при температуре свыше 3100°C и химическая инертность. К недостаткам можно отнести хрупкость и меньшую устойчивость к окислению при температуре свыше 800°C по сравнению с другими карбидами.

Методы производства

Порошок карбида титана может быть изготовлен несколькими способами:

Таблица 2: Обзор методов производства порошка карбида титана

Метод	Описание	Характеристики
Прямая карбидная реакция	Титановый порошок науглероживается при нагревании с углеродом выше 1600°C	Низкая чистота, крупные зерна
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)	Высокоэкзотермические термитные реакции, используемые для получения TiC	Более мелкие зерна
Золь-гель	Мокрый химический метод с использованием титановых и углеродных прекурсоров	Сверхтонкие однородные частицы порошка
Синтез в плазме крови	TiC, образованный из газообразных реагентов в плазменном разряде	Сферические нанопорошки высокой чистоты
Другие методы	Электролиз, лазерный пиролиз, синтез при горении	Специальные порошки уникальных размеров и форм

Ключевыми факторами при выборе метода производства являются требуемые характеристики порошка, такие как размер частиц, форма, степень чистоты и стоимость.

Применение Порошок карбида титана

К основным областям применения порошка карбида титана относятся:

Таблица 3: Обзор промышленных применений порошка карбида титана

Промышленность	Приложения
Аэрокосмическая промышленность	Системы тепловой защиты, взрывные сопла
Автомобильная промышленность	Керамическая броня для автомобилей, тормозные диски
Производство	Режущие инструменты, формовочные штампы, опорные поверхности
Строительство	Вкладыши для форсунок, кнопки для бурения горных пород
Энергия	Покрытия для ядерного топлива, материалы для термоядерных реакторов
Химические продукты	Опоры для жидких катализаторов, антикоррозийные футеровки

Карбид титана создает легкие композитные материалы, такие как TiC-Ni и TiC-Co, обладающие высокой твердостью и износостойкостью, подходящие для самых сложных механических и высокотемпературных применений.

Он наиболее ценится за следующие возможности:

• Сохраняет прочность при температуре 3100°C - сохраняет свойства там, где стали и карбиды не справляются.
• Чрезвычайная твердость противостоит абразивному износу даже при высоких температурах
• Низкое тепловое расширение способствует устойчивости к тепловым ударам
• Устойчивость к эрозии, коррозии и химическому воздействию

Технические характеристики и классы

Порошок карбида титана доступен в стандартных и индивидуальных спецификациях:

Таблица 4: Технические характеристики и марки порошка карбида титана

Параметр	Диапазон технических характеристик
Чистота	89-99.5% TiC
Содержание углерода	5-15%
Размер частиц	0,5 мкм - 45 мкм
Форма частиц	Сферические, угловатые, дробленые
Плотность	4,90 - 5,10 г/см3
Твердость	2800-3200 HV Vickers
Содержание кислорода	< 2% wt
Удельная площадь поверхности	0,5 - 15 м2/г
Плотность отвода	2,0 - 3,5 г/см3

Оценки:

• Ядерный класс >99% TiC
• Конструкционная марка 89-92% TiC
• Металлургическая марка 70-75% TiC

Ядерные марки более высокой чистоты имеют меньшее количество свободного углерода, железа, никелевых примесей. Структурный TiC имеет более высокую твердость и равномерное крупное зерно.

Стандарты и методы испытаний

Порошковые продукты из карбида титана должны соответствовать различным стандартам по составу, примесям, гранулометрическому составу и другим параметрам, характерным для конечного применения. Некоторые общие стандарты включают:

Таблица 5: Стандарты и методы испытаний для порошка TiC

Стандарт	Описание
ISO 11358	Карбидные порошки - определение распределения частиц по размерам методом лазерной дифракции
ASTM C1046	Стандартная практика контроля отливок из титана и титановых сплавов
AMS-H-8656	Вольфрам базы, кобальт базы, железо базы, никель базы; керамика и карбид порошок, авиационного качества
MIL-PRF-32159	Требования к рабочим характеристикам порошковых и горячеизостатических штамповок из титановых сплавов для вращающихся деталей турбомашин
GB/T 5481	Методы металлургического анализа порошков твердых сплавов
JIS R 1611	Порошковая металлургия - Карбидные порошки Методы отбора проб и испытаний

Эти стандарты помогают обеспечить надежность продукции в различных производственных партиях и у разных поставщиков. Как поставщики, так и конечные пользователи часто используют дополнительные аналитические методы, такие как SEM, EDX, XRD и лазерный анализ размера частиц, для детального определения характеристик материалов.

Поставщики и ценообразование

Порошок карбида титана можно приобрести у многих крупных поставщиков по всему миру. К числу ведущих производителей относятся:

Таблица 6: Отдельные поставщики порошка карбида титана

Поставщик	Расположение	Градусы продукта
Atlantic Equipment Engineers	США	Ядерные, структурные, металлургические
ХК Старк	Германия	Ядерные, напыляемые марки
Кеннаметал	США	Нестандартные сплавы и композиты
Materion	США	Ядерные марки высокой чистоты
Микронные металлы	США	Стандартные и нестандартные размеры частиц
Прочтите дополнительные материалы	США	Порошки и продукты HIP
Великобритания Абразивы	ВЕЛИКОБРИТАНИЯ	Многократная очистка

Цены могут варьироваться в широких пределах:

• Порошок TiC ядерного класса - $1800+ за кг
• Порошок TiC структурного класса - $20-100 за кг
• Слитки TiC для производства изделий HIP - $50-200 за кг

Точная цена зависит от степени чистоты, размера частиц, количества закупок и т.д.

Сравнение Порошок карбида титана Альтернативы

Таблица 7: Сравнение порошка карбида титана с альтернативными твердыми керамиками

Параметр	Карбид титана	Карбид вольфрама	Карбид кремния
Плотность	4,93 г/см3	15,63 г/см3	3,21 г/см3
Твердость	2800-3200 HV	1300-2400 HV	2400-2800 HV
Максимальная температура использования	3100°C	700°C	1650°C
Вязкость разрушения	3-6 МПа√м	10-15 МПа√м	3-5 МПа√м
Устойчивость к окислению	До 800°C	Плохое состояние при температуре выше 500°C	Превосходно до 1600°C
Стоимость	Умеренный	Низкий	Низкий
Токсичность	Низкий	Высокая	Низкий

Ключевые отличия:

• Карбид вольфрама обладает повышенной прочностью
• Карбид кремния обладает лучшей устойчивостью к окислению
• Карбид титана выдерживает очень высокие температуры
• Карбид титана обеспечивает наилучшую универсальную производительность

Преимущества и ограничения

Таблица 8: Преимущества и недостатки порошка карбида титана

Преимущества	Ограничения
Исключительная твердость при высоких температурах	Хрупкие с низкой вязкостью разрушения
Высокая коррозионная и износостойкость	Дороже, чем карбид вольфрама
Сохраняет прочность при температуре выше 3100°C	Легко окисляется при температуре свыше 800°C
Высокая теплопроводность	Чувствительны к загрязнению кислородом

Ключевые приложения в деталях

Карбид титана позволяет добиться исключительного улучшения характеристик во всех отраслях промышленности - от аэрокосмической и автомобильной до обрабатывающей и энергетической. В этом разделе рассматриваются некоторые ключевые области применения, подчеркивающие превосходные свойства карбида титана.

Аэрокосмические приложения

В аэрокосмической отрасли требуются материалы, выдерживающие экстремальные условия эксплуатации. Карбид титана сохраняет прочность при температуре свыше 3000°C, выдерживает тепловой удар и не разрушается после многократных циклов нагрева - идеальные свойства для компонентов гиперзвуковых самолетов.

Передовые материалы и покрытия

Композиты на основе карбида титана TiC-Ni и TiC-Co позволяют острым передним кромкам крыльев гиперзвуковых аппаратов выдерживать интенсивный фрикционный нагрев при входе в атмосферу до 3200°C. По своим характеристикам они значительно превосходят традиционные композиты с графитовой или керамической матрицей.

Кроме того, покрытия из карбида титана, нанесенные методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) или физического осаждения из паровой фазы (PVD), защищают поверхности крыльев, воздухозаборники двигателей и другие компоненты от окисления и абразивного износа на скоростях свыше 5 Махов.

Системы тепловой защиты

Многоразовые системы тепловой защиты (TPS) на космических аппаратах выдерживают экстремальные перепады температур от -150°C в космосе до 1650°C при входе в атмосферу. Карбид титана сохраняет прочность в этом диапазоне и противостоит термическому усталостному растрескиванию после многократных воздействий лучше, чем другие керамики.

Например, в космическом самолете X-37B слой TiC используется в TPS для защиты конструкции аппарата. Аблаторы из TiC также изолируют сопла ракет и гиперзвуковых реактивных двигателей от выхлопных газов, температура которых достигает 3300+°C.

Тормоза для самолетов

Карбоновые тормоза реактивных самолетов должны выдерживать температуру свыше 700°C во время посадки на скорости 160 узлов. Однако углерод легко окисляется, что приводит к запылению и раннему износу.

Замена карбоновых компонентов на роторы и статоры из карбида титана значительно увеличивает срок службы деталей и повышает допустимую температуру торможения до 1150°C, в результате чего тормозные системы становятся легче.

Вооружение

Расплавленный металл быстро разрушает традиционные футеровки стволов оружия, вызывая неравномерный износ или взрывы стволов. Однако покрытия из карбида титана, наносимые плазменным напылением, исключительно хорошо противостоят эрозии металла и позволяют вести длительную стрельбу из высококалиберных орудий при температурах, превышающих нормальные рабочие температуры, с минимальным износом.

Использование в автомобильной промышленности

Автопроизводители постоянно исследуют материалы, чтобы создавать более быстрые, безопасные и легкие легковые и грузовые автомобили. В автомобильной промышленности карбид титана широко используется для изготовления брони, тормозов и компонентов двигателя.

Автомобильная броня

В военных машинах для баллистической брони вместо традиционной стали используются керамические композиты на основе карбида титана, такие как TiC-Kevlar. Это позволяет снизить вес на 30% и одновременно повысить уровень защиты от бронебойных снарядов.

Керамические ламинаты с ударной поверхностью из TiC лучше рассеивают и деформируют летящие снаряды, чем металлические пластины. Более легкая броня повышает мобильность машины и топливную экономичность, что очень важно для выполнения боевых задач.

Тормозные диски

В Формуле 1 и других высокопроизводительных автомобилях используются тормозные диски из керамического матричного композита (CMC) на основе карбида титана, которые выдерживают экстремальные температуры при многократном торможении с силой G на максимальной скорости до 350 км/ч.

Диски TiC также улучшают тормозное усилие и устраняют проблемы с затуханием тормозов, возникающие у спортивных автомобилей высокого класса во время гонок. Рекуперативные тормозные системы электромобилей также используют роторы из карбида титана для обеспечения устойчивости к высоким температурам.

Износостойкие компоненты

Карбид титана продлевает срок службы высоконагруженных компонентов двигателя, подверженных абразивному износу при высоких температурах свыше 1000°C. Например, замена традиционных стальных клапанов и гильз поршней на вставки из TiC позволяет увеличить время работы на 50-100% до того, как износ достигнет пределов отказа.

В отверстиях двигателя с покрытием TiC превосходит используемые в настоящее время покрытия из карбида никеля, наносимые методом термического напыления. Это позволяет повысить пиковое давление и температуру сгорания для увеличения эффективности использования топлива.

Режущий инструмент

Все основные поставщики режущего инструмента предлагают широкий ассортимент пластин, сверл, концевых фрез и специальных инструментов с основой из карбида титана, покрытой другими карбидами, керамикой или алмазными покрытиями.

Износостойкость

TiC сохраняет твердость выше температуры размягчения обычных инструментальных сталей - около 600°C, что позволяет увеличить скорость съема материала, повысить скорость резания и снизить износ при сухой высокоскоростной обработке.

Тепловые свойства

Высокая теплопроводность предотвращает появление локальных горячих точек при прерывистом резании, которые приводят к поломке инструмента. TiC также демонстрирует минимальное тепловое расширение, равное алмазу, что очень важно для микропроизводства прецизионных инструментов.

Модернизация производительности

Замена традиционных твердосплавных компонентов, таких как сменные пластины, на TiC позволяет увеличить срок службы инструмента в 2-4 раза при тех же рабочих параметрах. Кроме того, можно значительно увеличить скорость резания или подачу при тех же уровнях износа пластин.

Для труднообрабатываемых аэрокосмических сплавов нового поколения, таких как инконель 718, алюминид титана TiAl и металломатричные композиты MMC, оснастка из карбида титана позволяет реализовать жизнеспособные варианты производства, недоступные в других случаях.

Вставки для форсунок

Сопла из карбида титана выдерживают высокоэрозионные потоки частиц, обрабатывая абразивные материалы от сельскохозяйственных материалов и обработки минералов до дробеструйного упрочнения и спекания порошковых металлов:

Устойчивость к истиранию

Сопловые вставки из TiC, используемые в пищевой, фармацевтической и специальной химической промышленности, обычно превосходят традиционные варианты из карбида вольфрама, карбида кремния и карбида хрома на 300 - 500% в чрезвычайно абразивных потоках мелкодисперсного порошка.

Защита от высоких скоростей

Обтекатели из карбида титана, содержащие вихревые потоки охлаждающего воздуха, защищают лопатки композитных авиационных двигателей от попадания гравия, скорость которого превышает 650 м/с. Во время испытаний на сдерживание лопаток компоненты из карбида титана выдерживают проколы лопаток при дезинтеграции вентилятора, когда другие материалы разрушаются.

Использование при экстремальных температурах

Сопла для плазменного распыления расплавленного циркония, стали и стекловолокна состоят из свободно стоящих труб из TiC без дополнительного охлаждения. TiC надежно выдерживает шлаковую коррозию и тепловые потоки от выброса капель металла свыше 3000°C, которые легко разрушают кобальтовые и никелевые сплавы.

Ядерные приложения

Карбид титана широко применяется в атомной энергетике - от оболочки ядерного топлива до защиты первой стенки в экспериментальных термоядерных реакторах.

Топливная облицовка

Обычные циркониевые сплавы для оболочек топлива могут окисляться, плавиться и высвобождать радиоактивные изотопы во время аварии с перегревом активной зоны реактора. Однако покрытия из карбида титана позволяют проводить более холодные и медленные реакции, образуя пассивирующий слой TiO2 для удержания вылетающих частиц, что значительно повышает пределы безопасности.

Компоненты для плазменной облицовки

Внутри экспериментальных термоядерных реакторов "токамак" интенсивные тепловые потоки плазмы 40 МВт/м2 быстро разрушают твердую броню, поскольку термоядерные частицы и рентгеновское излучение непрерывно бомбардируют поверхности. Термически напыленные слои или отдельно стоящие компоненты из TiC выдерживают эти суровые условия лучше и имеют в 2-3 раза больший срок службы по сравнению с вольфрамовыми альтернативами, прежде чем потребуют замены.

Контейнеры для радиоактивных отходов

После переработки топлива высокоактивные радиоактивные жидкости остекловываются в канистры из боросиликатного стекла, которые хранятся в коррозионностойких канистрах. Полная непроницаемость карбида титана для газов и жидкостей в течение геологических периодов времени обеспечивает безопасное длительное хранение без утечки в окружающую среду.

Бурение нефтяных и газовых скважин

Карбид титана заслуживает особого внимания как самый твердый, самый горячий, самый износостойкий материал для буровых коронок, который когда-либо был разработан. Кнопки TC стали золотым стандартом в нефтяной, газовой и геотермальной буровой промышленности, превзойдя предыдущие решения на основе поликристаллического алмазного компакта (PDC).

Фрикционное истирание горных пород

Вращающиеся конусные буровые долота, используемые для бурения глубоких скважин на суше на глубине до 6000 м, испытывают экстремальное давление на горную породу и тепловые потоки трения 100 кВт во время резания. Твердые пластины TC сохраняют твердость более 3200 HV в таких условиях, при этом бурение происходит в 5-10 раз быстрее, чем стальными зубьями, прежде чем потребуется их замена.

Высокоскоростное пробивание горных пород

Геотермальные и нефтегазовые буровые компании, специализирующиеся на бурении твердых осадочных или базальтовых пород, используют исключительно долота с кнопкой TC, обеспечивая скорость проходки в 4 раза выше, чем у альтернативных типов буров с эквивалентным сроком службы.

В итоге - ничто не режет породу лучше, чем карбид титана, и при этом выдерживает суровые условия скважины.

Заключение

Обладая чрезвычайной твердостью, термостойкостью свыше 3000°C и высокими износостойкими характеристиками, карбид титана обеспечивает исключительные свойства материалов, не встречающиеся в конкурирующей керамике или традиционных сплавах. TiC надежно выдерживает самые сильные термические, химические и механические воздействия в любой отрасли промышленности.

Несмотря на значительные эксплуатационные преимущества, карбид титана стоит дешевле, чем сопоставимые тугоплавкие металлы, такие как молибден или вольфрам. Это уникальное сочетание возможностей и доступности обуславливает растущее применение карбида титана в аэрокосмической, автомобильной, обрабатывающей промышленности, энергетике и самых требовательных областях по всему миру.

По мере развития технологий, обеспечивающих более надежное производство и доступность, ожидается дальнейшее ускорение проникновения карбида титана. Материал определяет режущую кромку.

узнать больше о процессах 3D-печати