Pulver av titankarbid

Titankarbidpulver är ett extremt hårt keramiskt material som används i en mängd olika industriella applikationer som kräver hög hårdhet, slitstyrka, värmeledningsförmåga och kemisk stabilitet vid extrema temperaturer. Den här artikeln ger en omfattande teknisk referens om TiC-pulver som täcker egenskaper, tillverkningsmetoder, applikationer, leverantörer, specifikationer, kvaliteter och mer.

Översikt över Pulver av titankarbid

Titankarbidpulver (TiC) består av kol och titan, vanligtvis med små mängder av andra metalliska element. Det har en extremt hög smältpunkt på 3140°C och en hög hårdhet som ligger nära titannitrid. Några viktiga egenskaper och kännetecken inkluderar:

Tabell 1: Egenskaper och kännetecken för titankarbidpulver

Fastigheter	Egenskaper
Kemisk formel	TiC
Sammansättning	Titan (88,1%), kol (11,9%)
Färg	Grått till svart pulver
Smältpunkt	3140°C
Täthet	4.93 g/cm3
Mohs hårdhet	2800-3200 HV
Styrka	Hög tryck- och böjhållfasthet
Termiska egenskaper	Hög värmeledningsförmåga och motståndskraft mot termisk chock
Elektrisk ledningsförmåga	Elektrisk ledare av metall
Oxideringsbeständighet	Motstår oxidation upp till 800°C i luft
Syrabeständighet	Olöslig i rumstempererade syror

Några viktiga fördelar med titankarbidpulver är extrem hårdhet och slitstyrka, bibehållen mekanisk hållfasthet över 3100°C och kemisk inerthet. Nackdelarna är sprödhet och lägre motståndskraft mot oxidation över 800°C jämfört med andra karbider.

Tillverkningsmetoder

Titankarbidpulver kan tillverkas genom flera olika tillverkningsprocesser:

Tabell 2: Översikt över tillverkningsmetoder för titankarbidpulver

Metod	Beskrivning	Egenskaper
Direkt karbidreaktion	Titanpulver förgasas genom upphettning med kol över 1600°C	Lägre renhet, större korn
Självspridande högtemperatursyntes (SHS)	Mycket exoterma termitreaktioner används för att producera TiC	Finare kornstorlekar
Sol-gel	Våtkemisk metod med titan- och kolprekursorer	Ultrafina, enhetliga pulverpartiklar
Plasmasyntes	TiC bildad från gasformiga reaktanter i plasmaurladdning	Sfäriska nanopulver med hög renhet
Andra metoder	Elektrolys, laserpyrolys, förbränningssyntes	Specialpulver med unika storlekar och former

Viktiga faktorer vid val av produktionsmetod är bland annat nödvändiga pulveregenskaper som partikelstorlek, form, renhetsgrad och kostnad.

Tillämpningar av Pulver av titankarbid

Några viktiga användningsområden för titankarbidpulver inkluderar:

Tabell 3: Översikt över industriella tillämpningar av titankarbidpulver

Industri	Tillämpningar
Flyg- och rymdindustrin	Termiska skyddssystem, sprängmunstycken
Fordon	Keramiskt fordonspansar, bromsskivor
Tillverkning	Skärande verktyg, formverktyg, lagerytor
Konstruktion	Munstycksfodringar, knappar för bergborrning
Energi	Beläggningar för kärnbränsle, material för fusionsreaktorer
Kemikalier	Katalysatorstöd för vätskor, korrosionsbeständiga beläggningar

Titankarbid skapar lättviktskompositer som TiC-Ni och TiC-Co med extrem hårdhet och slitstyrka som lämpar sig för de mest krävande mekaniska tillämpningarna och högtemperaturtillämpningar.

Den är mest uppskattad för följande egenskaper:

• Bibehåller hållfasthet över 3100°C – behåller egenskaper där stål och karbider inte håller måttet
• Extrem hårdhet motstår nötningsslitage även vid höga temperaturer
• Låg värmeutvidgning ger motståndskraft mot termisk chock
• Motståndskraftig mot erosion, korrosion och kemiska angrepp

Specifikationer och kvaliteter

Titankarbidpulver finns tillgängligt i standard- och kundanpassade specifikationer:

Tabell 4: Specifikationer och kvaliteter för titankarbidpulver

Parameter	Specifikation Område
Renhet	89-99,5% TiC
Kolinnehåll	5-15%
Partikelstorlek	0.5 μm - 45 μm
Partikelns form	Sfärisk, kantig, krossad
Täthet	4.90 - 5,10 g/cm3
Hårdhet	2800-3200 HV Vickers
Syrehalt	< 2% vikt
Specifik ytarea	0.5 - 15 m2/g
Tappdensitet	2.0 - 3,5 g/cm3

Betyg:

• Kärnteknisk kvalitet: 99% TiC
• Strukturell kvalitet 89-92% TiC
• Metallurgisk kvalitet 70-75% TiC

Kärntekniska kvaliteter med högre renhet har lägre halter av fritt kol, järn och nickelföroreningar. Strukturell TiC har högre hårdhet och enhetliga grova korn.

Standarder och testmetoder

Titankarbidpulverprodukter måste uppfylla olika applikationsstandarder för sammansättning, föroreningar, partikelstorleksfördelning och andra parametrar som är specifika för slutanvändningen. Några vanliga standarder inkluderar:

Tabell 5: Standarder och testmetoder för TiC-pulver

Standard	Beskrivning
ISO 11358	Karbidpulver – Bestämning av partikelstorleksfördelning med hjälp av laserdiffraktion
ASTM C1046	Standardmetod för kontroll av gjutgods av titan och titanlegeringar
AMS-H-8656	Volframbas, koboltbas, järnbas, nickelbas; keramik- och karbidpulver, flygplanskvalitet
MIL-PRF-32159	Prestandakrav för smide av titanlegeringar i pulverform och varmisostatiskt pressade (HIP) ringar för roterande turbomaskinkomponenter
GB/T 5481	Metallurgiska analysmetoder för karbidpulver
JIS R 1611	Pulvermetallurgi – Karbidpulver Provtagnings- och testmetoder

Dessa standarder bidrar till att säkerställa produkttillförlitligheten i olika produktionsomgångar och hos flera leverantörer. Både leverantörer och slutanvändare använder ofta ytterligare analystekniker som SEM, EDX, XRD och laseranalys av partikelstorlek för att karakterisera material i detalj.

Leverantörer och prissättning

Titankarbidpulver är kommersiellt tillgängligt från många stora leverantörer globalt. Några ledande tillverkare inkluderar:

Tabell 6: Utvalda leverantörer av titankarbidpulver

Leverantör	Plats	Produktkvaliteter
Atlantic Equipment Engineers	USA	Kärnteknisk, strukturell, metallurgisk
H.C. Starck	Tyskland	Kärntekniska, sputteringskvaliteter
Kennametal	USA	Specialanpassade legeringar och kompositer
Materion	USA	Kärntekniska kvaliteter med hög renhet
Micron Metals	USA	Standard- och anpassade partikelstorlekar
Reade Avancerade Material	USA	Pulver och HIP-produkter
UK Slipmedel	STORBRITANNIEN	Flera renhetsgrader

Priserna kan variera kraftigt:

• TiC-pulver av nukleär kvalitet – $1800+ per kg
• TiC-pulver av strukturell kvalitet 20-100 USD per kg
• TiC-göt för HIP-produkter 50-200 USD per kg

Exakta priser beror på renhetsgrad, partikelstorleksspecifikationer, inköpskvantiteter med mera.

Jämförelse Pulver av titankarbid till alternativ

Tabell 7: Jämförelse av titankarbidpulver med alternativa hårda keramer

Parameter	Titankarbid	Volframkarbid	Kiselkarbid
Täthet	4.93 g/cm3	15.63 g/cm3	3.21 g/cm3
Hårdhet	2800-3200 HV	1300-2400 HV	2400-2800 HV
Max användningstemperatur	3100°C	700°C	1650°C
Brottseghet	3-6 MPa√m	10-15 MPa√m	3-5 MPa√m
Oxideringsbeständighet	Bra till 800°C	Dålig över 500°C	Utmärkt till 1600°C
Kostnad	Måttlig	Låg	Låg
Toxicitet	Låg	Hög	Låg

Viktiga skillnader:

• Volframkarbid har högre seghet
• Kiselkarbid har bättre oxidationsbeständighet
• Titankarbid kan motstå extremt höga temperaturer
• Titankarbid ger bästa möjliga allroundprestanda

Fördelar och begränsningar

Tabell 8: Fördelar kontra begränsningar med titankarbidpulver

Fördelar	Begränsningar
Extrem hårdhet vid höga temperaturer	Skör med lägre brottseghet
Hög korrosions- och slitstyrka	Dyrare än volframkarbid
Bibehåller hållfastheten över 3100°C	Oxiderar lätt vid temperaturer över 800°C
Hög värmeledningsförmåga	Känslig för syreförorening

Viktiga applikationer på djupet

Titankarbid möjliggör exceptionella prestandaförbättringar inom alla branscher, från flyg- och bilindustrin till tillverkningsindustrin och energisektorn. Detta avsnitt utforskar några viktiga applikationer som belyser titankarbidens överlägsna egenskaper.

Tillämpningar inom flyg- och rymdindustrin

Flyg- och rymdtillämpningar kräver material som tål extrema miljöer. Titankarbid bibehåller hållfastheten över 3000°C, motstår termisk chock och bryts inte ned efter upprepade värmecykler – idealiska egenskaper för komponenter till hypersoniska flygplan.

Material och ytbeläggningar i framkant

Titankarbidkompositerna TiC-Ni och TiC-Co gör det möjligt för vassa vingkanter på hypersoniska farkoster att motstå intensiv friktionsuppvärmning vid återinträde i atmosfären upp till 3200°C. Prestanda är långt överlägsen traditionella grafit- eller keramiska matriskompositer.

Dessutom skyddar titankarbidbeläggningar som appliceras via kemisk förångningsdeposition (CVD) eller fysisk förångningsdeposition (PVD) vingytor, motorintag och andra komponenter från oxidation och abrasivt slitage vid hastigheter över Mach 5.

System för termiskt skydd

Återanvändbara termiska skyddssystem (TPS) på rymdfarkoster klarar extrema temperaturväxlingar från -150°C i rymden till 1650°C vid återinträdet i atmosfären. Titankarbid bibehåller styrkan i hela detta intervall och motstår sprickbildning vid termisk utmattning efter upprepad exponering bättre än andra keramer.

Rymdplanet X-37B använder t.ex. ett TiC-lager i sin TPS för att skydda den underliggande fordonsstrukturen. TiC-ablatorer isolerar också raketmunstycken och hypersoniska scramjetmotorer från avgaser som når 3300+°C.

Bromsar för flygplan

Kolbromsar på jetflygplan måste tåla över 700°C vid landningar i 160 knops hastighet. Kolfiber oxiderar dock lätt, vilket leder till damm och tidigt slitage.

Genom att ersätta kolfiberkomponenter med rotorer och statorer av titankarbid förlängs komponenternas livslängd dramatiskt och den tillåtna bromstemperaturen ökar till 1150°C, vilket ger lättare bromssystem totalt sett.

Vapen

Smält metall förstör snabbt traditionella eldrörsbeläggningar och orsakar ojämnt slitage eller eldrörsexplosioner. Plasmasprutade beläggningar av titankarbid motstår emellertid metallerosion exceptionellt väl och möjliggör långvarig avfyrning av högkalibriga vapen utöver normala driftstemperaturer med minimalt slitage.

Användningsområden för fordon

Biltillverkare forskar ständigt på material för att bygga snabbare, säkrare och lättare bilar och lastbilar. Bilindustrin använder i stor utsträckning titankarbid för pansar, bromsar och motorkomponenter.

Fordonspansar

Militärfordon använder keramiska kompositer av titankarbid som TiC-Kevlar i stället för traditionellt stål för ballistiskt pansar. Detta minskar vikten med 30% samtidigt som det faktiskt ökar skyddsnivåerna mot pansarbrytande hot.

Keramiska laminat med TiC-stridsyta sprider och deformerar inkommande projektiler bättre än metallplattor. Lättare pansar förbättrar fordonens rörlighet och bränsleeffektivitet, vilket är avgörande för stridsuppdragen.

Bromsskivor

I Formel 1 och andra högpresterande fordon används bromsskivor med keramisk matriskomposit (CMC) av titankarbid för att klara extrema temperaturer från upprepade G-krafter vid bromsning i topphastigheter upp till 350 km/h.

TiC-skivor förbättrar också bromsförmågan och eliminerar problem med bromsfading som drabbar avancerade sportbilar vid tävlingsanvändning. Regenerativa bromssystem på elfordon förlitar sig på samma sätt på rotorer av titankarbid för extrem värmetolerans.

Slitagekomponenter

Titankarbid förlänger livslängden på högbelastade motorkomponenter som utsätts för nötning vid höga temperaturer över 1000°C. Om man t.ex. ersätter traditionella ventiler och kolvhylsor av stål med TiC-versioner kan man uppnå 50-100% längre drifttider innan slitaget når gränsen för fel.

I belagda motorhål överträffar TiC de beläggningar av nickelkarbid som används vid termisk sprutning. Detta möjliggör högre topptryck och förbränningstemperaturer för ökad bränsleeffektivitet.

Skärande verktyg

Alla större leverantörer av skärverktyg erbjuder ett omfattande sortiment av skär, borrar, pinnfräsar och specialverktyg med ett substrat av titankarbid bundet med andra karbider, keramer eller diamantbeläggningar.

Slitstyrka

TiC bibehåller hårdheten över konventionella verktygsståls mjukningspunkt runt 600°C, vilket ger snabbare materialavverkning, högre skärhastigheter och lägre slitage i applikationer med torr höghastighetsbearbetning.

Termiska egenskaper

Den höga värmeledningsförmågan förhindrar lokala heta punkter under avbrutna skärningar som orsakar verktygsbrott. TiC uppvisar också minimal värmeutvidgning, vilket motsvarar diamant – avgörande för precisionsverktyg inom mikrotillverkning.

Uppgraderingar av prestanda

Om man ersätter traditionella hårdmetallkomponenter som vändskär med TiC-uppgraderingar förlängs verktygens livslängd 2-4 gånger med samma driftsparametrar. Alternativt kan skärhastigheterna eller matningshastigheterna ökas avsevärt samtidigt som man uppnår samma slitnivåer på skären.

För nästa generations svårbearbetade legeringar inom flyg- och rymdindustrin, som Inconel 718, titanaluminid TiAl och metallmatriskompositer MMC, möjliggör verktyg i titankarbid hållbara tillverkningsalternativ som annars inte skulle vara möjliga.

Munstycksinsatser

Munstycken av titankarbid står emot mycket erosiva partikelflöden som hanterar slipmedel från jordbruksmaterial och mineralbearbetning till s.k. shot peening och sintring av metallpulver:

Motståndskraft mot nötning

TiC-munstycksinsatser som används inom livsmedels-, läkemedels- och specialkemikalieindustrin håller ofta 300 – 500% längre än traditionella versioner av volframkarbid, kiselkarbid och kromkarbid i extremt slipande strömmar av fint pulver.

Skydd mot höga hastigheter

Höljen av titankarbid som innehåller kylande luftvirvlar skyddar motorblad av kompositmaterial från flygplan från inkommande sand med hastigheter över 650 m/s. Under tester av bladets inneslutning överlever TiC-komponenterna punkteringar av bladet från fläktens sönderfall intakta där alternativa material går sönder.

Användning vid extrema temperaturer

Plasmaspridarmunstycken för produktion av smält zirkonium, stål och glasfiber består av fristående TiC-rör utan ytterligare kylning. TiC står emot slaggkorrosion och värmeflöden på över 3000°C från metalldroppar som lätt förstör kobolt- och nickellegeringar.

Kärntekniska tillämpningar

Titankarbid används i stor utsträckning inom kärnkraftsindustrin, från beklädnad av kärnbränsle till skydd av den första väggen i experimentella fusionsreaktorer.

Bränslebeklädnad

Konventionella zirkoniumlegeringar för bränslepläteringen kan oxidera, smälta och frigöra radioaktiva isotoper vid en överhettningsolycka i reaktorhärden. Beläggningar av titankarbid tillåter dock svalare och långsammare reaktioner och bildar ett passiverande TiO2skikt som håller kvar partiklar som läcker ut, vilket avsevärt ökar säkerhetsgränserna.

Komponenter för plasmaskärning

Inuti experimentella tokamak-fusionsreaktorer eroderar intensiva 40 MW/m2 plasmavärmeflöden snabbt solida pansarplattor när fusionspartiklar och röntgenstrålar kontinuerligt bombarderar ytor. Termiskt sprutade lager eller fristående TiC-komponenter klarar dessa tuffa förhållanden bättre med 2-3 gånger längre livslängd jämfört med volframalternativ innan de behöver bytas ut.

Behållare för radioaktivt avfall

Efter bränsleupparbetning förglasas högaktivt radioaktiva vätskor i borosilikatglasloggar som förvaras i korrosionsbeständiga kapslar. Titankarbidens fullständiga ogenomtränglighet för gaser och vätskor under geologiska tidsperioder möjliggör säker långtidsförvaring utan läckage till miljön.

Olje- och gasborrning

Titankarbid förtjänar en särskild utmärkelse som det hårdaste, hetaste och mest slitstarka insatsmaterialet för bergborrning som någonsin utvecklats. TC-knapparna har blivit guldstandarden inom olje-, gas- och geotermisk borrning och överträffar tidigare PDC-lösningar (polykristallin diamantkompakt).

Friktionell nötning av berg

Roterande konborrkronor som används för djupborrning på 6000 m djup utsätts för extrema tryck i berget och friktionsvärmeflöden på 100 kW under skärning. Solida TC-skär bibehåller en hårdhet som överstiger 3200 HV under dessa förhållanden och borrar 5-10 gånger snabbare än ståltänder innan de behöver bytas ut.

Stenpenetrering med hög hastighet

Geotermiska företag och olje-/gasborrningsföretag som specialiserar sig på hårda sedimentära lager eller basaltlager använder uteslutande TC-knappborrkronor med upp till 4x högre borrsjunkning än alternativa borrtyper med motsvarande livslängd.

Slutsatsen – inget skär genom sten bättre än titankarbid samtidigt som det klarar den tuffa miljön i borrhålet.

Slutsats

Med extrem hårdhet, temperaturbeständighet över 3000°C och hög slitstyrka ger titankarbid exceptionella materialegenskaper som inte finns i konkurrerande keramer eller traditionella legeringar. TiC står tillförlitligt emot de mest våldsamma termiska, kemiska och mekaniska extremerna inom alla branscher.

Men trots de betydande prestandafördelarna kostar titankarbid mindre än jämförbara eldfasta metaller som molybden eller volfram. Denna unika kombination av kapacitet och prisvärdhet driver på den ökande användningen av titankarbid inom flyg- och rymdindustrin, bilindustrin, tillverkningsindustrin, energisektorn och de mest krävande applikationerna över hela världen.

I takt med att tekniken utvecklas och möjliggör mer tillförlitlig produktion och tillgänglighet kan man förvänta sig att penetrationen av titankarbid kommer att öka ytterligare. Materialet definierar skäreggen.

få veta mer om 3D-utskriftsprocesser