Ti3Al-Pulver: Zusammensetzung, Eigenschaften, Anwendungen und mehr

Einige der wichtigsten Eigenschaften und Merkmale von Ti3Al-Pulver sind:

• Hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen bis zu 750°C
• Dichte etwa halb so hoch wie die von Nickelsuperlegierungen
• Hervorragende Korrosionsbeständigkeit
• Geringe Dichte im Vergleich zu anderen Titanlegierungen
• Oxidationsbeständigkeit bis zu etwa 700°C
• Abriebfestigkeit
• Biokompatibilität

Ti3Al hat jedoch auch Einschränkungen wie schlechte Duktilität bei Raumtemperatur, geringe Bruchzähigkeit und schlechte Schweißbarkeit. Die richtige Verarbeitung und Legierungszusätze sind erforderlich, um das Gleichgewicht der Eigenschaften für verschiedene Anwendungen zu optimieren.

Dieser Artikel gibt einen detaillierten Überblick über die Zusammensetzung, Eigenschaften, Anwendungen, Lieferanten, Kosten, Prüfmethoden und andere technische Details im Zusammenhang mit Ti3Al-Pulver.

Ti3Al-Pulver-Zusammensetzung

Ti3Al-Pulver hat eine nominelle Zusammensetzung von 75% Titan und 25% Aluminium nach Gewicht. Die intermetallische Verbindung Titanaluminid bildet zwischen 50-75% Aluminium, wobei Ti3Al die häufigste Variante ist.

Die genaue Zusammensetzung kann je nach Herstellungsverfahren variieren. Andere Elemente wie Nb, Mo, Si, B, Ta, W, C und O werden oft in kleinen Mengen hinzugefügt, um bestimmte Eigenschaften zu verbessern. Die nachstehende Tabelle zeigt den typischen Bereich der Zusammensetzung:

Element	Gewicht %
Titan (Ti)	69 – 76%
Aluminium (Al)	24 – 31%
Niobium (Nb)	0 – 6%
Molybdän (Mo)	0 – 4%
Silizium (Si)	0 – 2%
Bor (B)	0 – 0.5%
Tantal (Ta)	0 – 5%
Wolfram (W)	0 – 5%
Kohlenstoff (C)	0 – 0.1%
Sauerstoff (O)	0 – 0.2%

Die Kontrolle des Sauerstoff- und Kohlenstoffgehalts ist entscheidend, um Versprödung zu vermeiden und die Duktilität zu erhalten. Je nach Rohstoffen und Verfahren können auch andere Spurenelemente vorhanden sein.

Eigenschaften von Ti3Al-Pulver

Die einzigartigen Eigenschaften von Ti3Al-Pulver sind auf seine geordnete intermetallische Kristallstruktur zurückzuführen, die sowohl aus Titan- als auch aus Aluminiumatomen besteht. Einige der bemerkenswerten Eigenschaften sind:

Hohe Temperaturbeständigkeit

Ti3Al behält seine relativ hohe Festigkeit bis zu 750°C bei, deutlich besser als Titan oder Aluminium allein. Dadurch eignet es sich für Anwendungen bei höheren Temperaturen in Motoren, Turbinen, Ventilen usw. In der nachstehenden Tabelle wird die Festigkeit von Ti3Al mit der anderer Titanlegierungen bei verschiedenen Temperaturen verglichen:

Legierung	Raumtemperatur Festigkeit (MPa)	Festigkeit bei 500°C (MPa)	Dichte (g/cm3)
Ti3Al	400	260	3.9
Ti6Al4V	900	500	4.5
Ti64	900	400	4.5

Niedrige Dichte

Mit einer Dichte von etwa 3,7 - 4,1 g/cm3 ist Ti3Al viel leichter als Nickelsuperlegierungen und die meisten anderen Titanlegierungen. Dies trägt dazu bei, das in der Luft- und Raumfahrt kritische Bauteilgewicht zu reduzieren.

Oxidationsbeständigkeit

Ti3Al bietet eine gute Oxidationsbeständigkeit bis zu 700°C an Luft, besser als unlegiertes Titan. Dadurch kann es bei hohen Temperaturen ohne übermäßigen Materialverlust eingesetzt werden.

Korrosionsbeständigkeit

Der Titananteil verleiht Ti3Al eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit gegenüber einer Vielzahl von Säuren, Laugen und salzhaltigen Umgebungen. Dies macht es zu einem nützlichen Werkstoff für chemische Verarbeitungsanlagen.

Abnutzungswiderstand

Ti3Al verfügt über eine gute Abrieb- und Erosionsbeständigkeit, die mit der von Stählen vergleichbar ist, und eignet sich daher für Anwendungen mit hohem Verschleiß wie Ventile, Pumpen und Extrusionswerkzeuge.

Ti3Al hat jedoch auch Nachteile wie:

• Geringe Duktilität und Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur
• Schwierig in der Herstellung und Bearbeitung
• Schlechte Schweißbarkeit aufgrund von Rissanfälligkeit

Um das Gleichgewicht der Eigenschaften für die vorgesehene Anwendung zu optimieren, sind eine geeignete Verarbeitung und Legierungszusätze erforderlich.

Ti3Al-Pulver Anwendungen

Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften eignet sich Ti3Al-Pulver für die folgenden Anwendungen:

Luft- und Raumfahrt

Die Luft- und Raumfahrtindustrie ist der größte Abnehmer von Ti3Al-Produkten, da sie Gewichtseinsparungen, Hochtemperaturfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit benötigt. Typische Anwendungen sind:

• Turbinenschaufeln, Schaufeln, Scheiben
• Brennkammern, Nachverbrenner
• Flugzeugzellen, Strukturkomponenten
• Hydraulische Schläuche, Ventile

Automobilindustrie

Die Automobilindustrie verwendet Ti3Al für Turboladerkomponenten, Ventile, Federn, Befestigungselemente und Teile der Abgasanlage, die eine hohe Temperaturbeständigkeit und ein geringes Gewicht erfordern.

Chemische Verarbeitung

Ti3Al wird für Bauteile wie Ventile, Pumpen, Rohrverschraubungen und Reaktionsbehälter verwendet, die Korrosionsbeständigkeit in Verbindung mit mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen erfordern.

Biomedizinische

Aufgrund seiner Biokompatibilität, Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit ist Ti3Al für orthopädische Implantate wie künstliche Hüftgelenke geeignet.

Weitere Anwendungen sind Hochleistungsventile, Strangpresswerkzeuge, Heizelemente und Sportartikel. Ti3Al wird auch als Pulver für die additive Fertigung verwendet.

Ti3Al-Pulver Spezifikationen

Ti3Al-Pulver ist je nach Herstellungsverfahren in verschiedenen Größenbereichen, Morphologien und Reinheitsgraden erhältlich. Die wichtigsten Spezifikationen sind nachstehend aufgeführt:

Spezifikation	Einzelheiten
Partikelgrößen	15 - 150 Mikrometer
Morphologie	Sphärisch, eckig, gemischt
Scheinbare Dichte	2 - 3,5 g/cm3
Dichte des Gewindebohrers	3 - 4,5 g/cm3
Reinheit	≥99%, ≥99.9%
Sauerstoffgehalt	≤ 0,2 wt%
Stickstoffgehalt	≤ 0,05 wt%
Kohlenstoffgehalt	≤ 0,08 wt%
Eisengehalt	≤ 0,30 wt%
Nickelgehalt	≤ 0,10 wt%
Standard-Pakete	5kg, 10kg, 25kg

Feinere Partikelgrößen bieten im Allgemeinen eine bessere Fließfähigkeit, Packungsdichte und Reaktivität. Sphärische Morphologien verbessern auch den Pulverfluss. Eine höhere Reinheit reduziert Verunreinigungen und verbessert die Eigenschaften.

Produktion von Ti3Al-Pulver

Für die Herstellung von Ti3Al-Pulver gibt es verschiedene Verfahren:

• Gaszerstäubung - Die geschmolzene Ti-Al-Legierung wird mit Inertgas zu feinen Tröpfchen zerstäubt, die zu Pulver erstarren. Dabei entstehen kugelförmige Partikel mit guter Fließfähigkeit.
• Mechanisches Legieren - Elementares Ti- und Al-Pulver wird kugelgemahlen, um die intermetallische Verbindung mechanisch zu synthetisieren. Die Pulverteilchen haben eine unregelmäßige Form.
• Plasma-Sphäroidisierung - Unregelmäßiges Ti3Al-Pulver aus mechanischer Legierung wird in einem Plasma wieder aufgeschmolzen, um kugelförmiges Pulver zu erzeugen.
• Elektroden-Induktions-Schmelzgaszerstäubung (EIGA) - Direktes Schmelzen und Zerstäuben einer Elektrode aus Ti3Al zur Herstellung von Pulver.

Die Gasverdüsung und die Plasmabehandlung ermöglichen eine bessere Kontrolle der Partikelgrößenverteilung, der Morphologie, der Sauerstoffaufnahme und der Mikrostruktur. Das Pulver muss in der Regel nach der Herstellung je nach den Anforderungen der Anwendung in bestimmte Größenfraktionen gesiebt werden.

Ti3Al-Pulver Kosten

Ti3Al-Pulver ist wesentlich teurer als Titan- oder Aluminiumpulver allein. Die Kosten variieren zwischen:

• $100 - $500 pro kg für 99% Reinheitsgrad gasverdüstes Pulver
• $50 - $250 pro kg für 99% mechanisch legiertes Pulver
• $300 - $1000 pro kg für 99,9% plasmakugelförmiges Pulver

Die Preise hängen von der Partikelgröße, der Morphologie, dem Reinheitsgrad, der Bestellmenge und dem Hersteller ab. Sonderlegierungen mit speziellen Zusammensetzungen können sogar noch teurer sein. Die Kosten sind aufgrund höherer Produktionsmengen und Prozessverbesserungen gesunken.

Ti3Al-Pulver Lieferanten

Zu den weltweit wichtigsten Anbietern von Ti3Al-Pulver gehören:

Unternehmen	Standort
AP&C	Kanada
TLS Technik GmbH	Deutschland
Metalltechnik	UK
ATI-Pulvermetalle	USA
Zimmerer-Zusatzstoff	USA
Met3DP	China
Tekna	Kanada

Auch in China gibt es einige Hersteller. Es wird empfohlen, das Pulver von etablierten Herstellern zu beziehen, die qualifizierte Produktionsverfahren anwenden, um zuverlässige Qualität und Eigenschaften zu gewährleisten.

Ti3Al im Vergleich zu Alternativen

Ti3Al konkurriert mit mehreren Alternativen für Hochtemperatur-Strukturanwendungen:

Tabelle: Vergleich von Ti3Al mit anderen Hochtemperatur-Legierungen

Legierung	Dichte	Maximale Temperatur	Stärke	Duktilität	Oxidationsbeständigkeit	Kosten
Ti3Al	Niedrig	Sehr hoch	Hoch	Niedrig	Gut	Hoch
Inconel 718	Hoch	Hoch	Mittel	Mittel	Gut	Mittel
Haynes 230	Hoch	Sehr hoch	Hoch	Niedrig	Ausgezeichnet	Sehr hoch
Ti6Al4V	Mittel	Mittel	Mittel	Mittel	Ausgezeichnet	Mittel
Ferritische nichtrostende Stähle	Mittel	Mittel	Niedrig	Hoch	Schlecht	Niedrig

Bei maximalen Betriebstemperaturen sind Ti3Al und Superlegierungen auf Nickelbasis wie Haynes 230 überlegen. Die geringere Dichte und die niedrigeren Kosten von Ti3Al sind jedoch für gewichtskritische Anwendungen wie die Luft- und Raumfahrt von Vorteil.

Die geringe Duktilität von Ti3Al bei Raumtemperatur bleibt eine wesentliche Einschränkung gegenüber Stählen und Ti6Al4V. Durch die Entwicklung von Legierungen und Verfahren wird die Bearbeitbarkeit und Verarbeitbarkeit weiter verbessert.

Vorteile von Ti3Al-Pulver

Zu den wichtigsten Vorteilen der Verwendung von Ti3Al-Pulver gehören:

• Hohe Festigkeit bis 800°C
• Dichte 40% niedriger als Nickelsuperlegierungen
• Ausgezeichnete Kriechfestigkeit
• Gute Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit
• Substitution von Refraktärmetallen ohne strategische Materialrisiken
• Netznahe Formherstellung mit Pulvermetallurgie
• Komponenten können bei höheren Temperaturen arbeiten
• Gewichtseinsparungen bei rotierenden Teilen wie Turbinenschaufeln
• Verbesserte Effizienz durch höhere Betriebsparameter

Die einzigartige Ausgewogenheit der mechanischen Eigenschaften, die geringe Dichte und die thermische Stabilität machen Ti3Al zu einem idealen Werkstoff für die nächste Generation von Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und Energieerzeugungssystemen.

Beschränkungen von Ti3Al-Pulver

Trotz seiner Vorteile hat Ti3Al auch einige Nachteile:

• Spröde bei Raumtemperatur, Duktilität verbessert sich über 500°C
• Herstellung und Bearbeitung sind anspruchsvoll
• Schneller Eigenschaftsverlust unter 400°C
• Die Rohstoff- und Verarbeitungskosten sind sehr hoch
• Die Lieferkette ist mit wenigen Produzenten begrenzt
• Die Konstruktion von Bauteilen erfordert spezielle technische Kenntnisse
• Nicht leicht zu schweißen oder mit herkömmlichen Techniken zu verbinden
• Schwierig zu recyceln und wiederzuverwenden

Herstellungs- und Kostenhürden haben die breite kommerzielle Einführung von Ti3Al bisher gebremst. Seine Fähigkeiten treiben jedoch die Entwicklungsbemühungen weiter voran, um diese Einschränkungen durch verbesserte Legierungschemien, Pulverqualität und Bauteilgestaltung zu überwinden.

Ausblick für Ti3Al-Pulver

Es wird prognostiziert, dass Ti3Al in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie, bei industriellen Gasturbinen und in der Energieerzeugung verstärkt eingesetzt werden wird, und zwar aus folgenden Gründen

• Steigende Nachfrage nach effizienterem Triebwerkskraftstoff und geringeren Emissionen
• Für elektrische Turbolader erforderliche Hochtemperaturwerkstoffe
• Wachsender Markt für additive Fertigungstechnologien
• Schwerpunkt auf strategischer Materialsubstitution für seltene Erden und Refraktärmetalle
• Kostensenkung durch verbesserte Fertigungsproduktivität

Die Automobil- und Industriemärkte sind preissensibler und verlangen nachweisliche Kosten-/Leistungsvorteile gegenüber bestehenden Legierungen. Der Luft- und Raumfahrtsektor ist eher bereit, einen Aufpreis für maximale Leistung zu zahlen.

Regierungsinitiativen in den USA, der EU und Japan beschleunigen die Forschung und Entwicklung in den Bereichen Ti3Al-Pulverherstellung, Komponentenherstellung, Verbindungsmethoden und Legierungsentwicklung. Dies wird den Anwendungsbereich erweitern und die Akzeptanz erhöhen.

Häufig gestellte Fragen

F: Wofür wird Ti3Al-Pulver verwendet?

A: Ti3Al-Pulver wird zur Herstellung von Hochtemperaturkomponenten wie Turbinenschaufeln, Turboladerrädern, Wärmetauschern und anderen Teilen verwendet, die bei Temperaturen von 500-800°C arbeiten. Es bietet ein hervorragendes Gleichgewicht aus hoher Festigkeit, geringer Dichte und guter Oxidationsbeständigkeit.

F: Wie wird Ti3Al-Pulver hergestellt?

A: Zu den gängigen Produktionsmethoden gehören Gaszerstäubung, Plasmazerstäubung, Elektrodeninduktionsschmelzgaszerstäubung (EIGA) und mechanisches Legieren. Jedes Verfahren führt zu unterschiedlichen Pulvereigenschaften, die für bestimmte Anwendungen geeignet sind.

F: Ist Ti3Al-Pulver besser als Inconel 718?

A: Ti3Al hat eine geringere Dichte und spart somit Gewicht gegenüber Inconel 718. Es hat eine höhere Festigkeit bei Temperaturen über 700°C. Allerdings ist die Duktilität von Ti3Al bei Raumtemperatur recht gering, während Inconel 718 leicht hergestellt und bearbeitet werden kann.

F: Wie hoch sind die Kosten für Ti3Al-Pulver?

A: Ti3Al-Pulver kostet etwa $450-750 pro kg, was fast fünfmal teurer ist als Nickelsuperlegierungen und zehnmal teurer als Titan- oder Aluminiumpulver. Die hohen Kosten sind auf die komplexe Verarbeitung und die begrenzte Marktnachfrage zurückzuführen.

F: Wie wird Ti3Al-Pulver gehandhabt und gelagert?

A: Wie andere reaktive Legierungspulver muss auch Ti3Al unter Schutzgas und ohne Feuchtigkeit gelagert werden. Es sollten nur Keramik-, Glas- oder Edelstahlbehälter verwendet werden. Zu den Sicherheitsvorkehrungen gehören Erdung, Belüftung und PSA zum Atmen.

F: Was sind die Herausforderungen bei der Verwendung von Ti3Al-Pulver?

A: Die wichtigsten Einschränkungen sind die geringe Duktilität bei Raumtemperatur, die hohen Materialkosten, die begrenzte Anzahl von Lieferanten, die Schwierigkeiten bei der Bearbeitung/Fertigung und das Fehlen von Verbindungstechniken. Um die kommerzielle Nutzung zu erweitern, sind Verbesserungen der Legierungen, Prozessentwicklungen und eine Optimierung des Bauteildesigns erforderlich.

F: Wie sind die Zukunftsaussichten für Ti3Al-Pulver?

A: Es wird prognostiziert, dass die Verwendung von Ti3Al-Pulver in Triebwerken für die Luft- und Raumfahrt, in Turboladern für Kraftfahrzeuge und in industriellen Hochtemperaturanwendungen erheblich zunehmen wird. Initiativen zur Kostensenkung, zur Verbesserung der Eigenschaften und zur Ausreifung der Herstellung werden eine breitere Akzeptanz ermöglichen.