Ti3Al-poeder: samenstelling, eigenschappen, toepassingen en meer

Enkele van de belangrijkste eigenschappen en kenmerken van Ti3Al-poeder zijn:

• Hoge sterkte bij verhoogde temperaturen tot 750°C
• Dichtheid ongeveer de helft van die van nikkel-superlegeringen
• Uitstekende corrosiebestendigheid
• Lage dichtheid vergeleken met andere titaniumlegeringen
• Oxidatiebestendigheid tot ongeveer 700°C
• Slijtvastheid
• Biocompatibiliteit

Ti3Al heeft echter ook beperkingen, zoals een slechte ductiliteit bij kamertemperatuur, een lage breuktaaiheid en een slechte lasbaarheid. De juiste verwerkings- en legeringstoevoegingen zijn vereist om de balans van eigenschappen voor verschillende toepassingen te optimaliseren.

Dit artikel geeft een gedetailleerd overzicht van de samenstelling, eigenschappen, toepassingen, leveranciers, kosten, testmethoden en andere technische details met betrekking tot Ti3Al-poeder.

Ti3Al-poedersamenstelling

Ti3Al-poeder heeft een nominale samenstelling van 75% titanium en 25% aluminium per gewicht. De intermetaalverbinding titaniumaluminide vormt tussen 50-75% aluminium, waarbij Ti3Al de meest voorkomende versie is.

De exacte samenstelling kan variëren afhankelijk van de productiemethode. Andere elementen zoals Nb, Mo, Si, B, Ta, W, C en O worden vaak in kleine hoeveelheden toegevoegd om bepaalde eigenschappen te verbeteren. De onderstaande tabel toont het typische samenstellingsbereik:

Element	Gewicht %
Titaan (Ti)	69 – 76%
Aluminium (Al)	24 – 31%
Niobium (Nb)	0 – 6%
Molybdeen (Mo)	0 – 4%
Silicium (Si)	0 – 2%
Borium (B)	0 – 0.5%
Tantaal (Ta)	0 – 5%
Wolfraam (W)	0 – 5%
Koolstof (C)	0 – 0.1%
Zuurstof (O)	0 – 0.2%

Het beheersen van het zuurstof- en koolstofgehalte is van cruciaal belang om verbrossing te voorkomen en de ductiliteit te behouden. Afhankelijk van de grondstoffen en het proces kunnen er ook andere sporenelementen aanwezig zijn.

Ti3Al-poedereigenschappen

De unieke eigenschappen van Ti3Al-poeder komen voort uit de geordende intermetallische kristalstructuur bestaande uit zowel titanium- als aluminiumatomen. Enkele van de opmerkelijke eigenschappen zijn onder meer:

Sterkte op hoge temperatuur

Ti3Al behoudt een relatief hoge sterkte tot 750°C, aanzienlijk beter dan alleen titanium of aluminium. Dit maakt het geschikt voor toepassingen bij hoge temperaturen in motoren, turbines, kleppen, enz. De onderstaande tabel vergelijkt de sterkte van Ti3Al met andere titaniumlegeringen bij verschillende temperaturen:

Legering	Sterkte kamertemperatuur (MPa)	Sterkte bij 500°C (MPa)	Dichtheid (g/cm3)
Ti3Al	400	260	3.9
Ti6Al4V	900	500	4.5
Ti64	900	400	4.5

Lage dichtheid

Met een dichtheid van ongeveer 3,7 – 4,1 g/cm3 is Ti3Al veel lichter dan nikkelsuperlegeringen en de meeste andere titaniumlegeringen. Dit helpt het componentgewicht te verminderen dat cruciaal is in lucht- en ruimtevaarttoepassingen.

Oxidatie weerstand

Ti3Al biedt een goede oxidatieweerstand tot 700°C in lucht, beter dan ongelegeerd titanium. Hierdoor kan hij bij hoge temperaturen werken zonder overmatig materiaalverlies.

Corrosieweerstand

Het titaniumgehalte geeft Ti3Al een uitstekende corrosieweerstand tegen een breed scala aan zuren, logen en zoute omgevingen. Dit maakt het bruikbaar in chemische verwerkingsapparatuur.

Slijtvastheid

Ti3Al heeft een goede slijtvastheid en erosieweerstand vergelijkbaar met staal, waardoor het geschikt is voor toepassingen met hoge slijtage zoals kleppen, pompen en extrusiematrijzen.

Ti3Al heeft echter ook nadelen zoals:

• Slechte ductiliteit bij kamertemperatuur en breuktaaiheid
• Moeilijk te fabriceren en machinaal te bewerken
• Slechte lasbaarheid vanwege scheurgevoeligheid

De juiste verwerkings- en legeringstoevoegingen zijn vereist om de balans van eigenschappen voor de beoogde toepassing te optimaliseren.

Ti3Al-poedertoepassingen

De unieke eigenschappen van Ti3Al poeder maken het geschikt voor de volgende toepassingen:

Lucht- en ruimtevaart

De lucht- en ruimtevaartindustrie is de grootste consument van Ti3Al-producten vanwege de behoefte aan gewichtsbesparing, hoge temperatuursterkte en oxidatieweerstand. Typische toepassingen zijn onder meer:

• Turbinebladen, schoepen, schijven
• Verbrandingskamers, naverbranders
• Casco's, structurele componenten
• Hydraulische slangen, kleppen

Automobiel

De auto-industrie gebruikt Ti3Al voor turbocompressorcomponenten, kleppen, veren, bevestigingsmiddelen en onderdelen van uitlaatsystemen die een hoge temperatuursterkte en een lager gewicht vereisen.

Chemische verwerking

Ti3Al wordt gebruikt voor componenten zoals kleppen, pompen, pijpfittingen en reactievaten die corrosiebestendigheid vereisen in combinatie met mechanische eigenschappen bij hoge temperaturen.

Biomedisch

De biocompatibiliteit, corrosieweerstand en sterkte van Ti3Al maken het geschikt voor orthopedische implantaten zoals kunstmatige heupgewrichten.

Andere toepassingen zijn onder meer hoogwaardige kleppen, extrusiematrijzen, verwarmingselementen en sportartikelen. Ti3Al wordt ook gebruikt als additief productiepoeder.

Ti3Al-poederspecificaties

Ti3Al-poeder is verkrijgbaar in verschillende groottes, morfologieën en zuiverheidsniveaus, afhankelijk van het productieproces. De belangrijkste specificaties vindt u hieronder:

Specificatie	Details
Deeltjesgroottes	15 – 150 micron
Morfologie	Bolvormig, hoekig, gemengd
Schijnbare dichtheid	2 – 3,5 g/cm3
Tik op dichtheid	3 – 4,5 g/cm3
Puurheid	≥99%, ≥99,9%
Zuurstofgehalte	≤ 0,2 wt%
Stikstofgehalte	≤ 0,05 wt%
Koolstofgehalte	≤ 0,08 wt%
IJzergehalte	≤ 0,30 wt%
Nikkelgehalte	≤ 0,10 wt%
Standaard pakketten	5 kg, 10 kg, 25 kg

Fijnere deeltjesgroottes zorgen in het algemeen voor een betere stroombaarheid, pakkingsdichtheid en reactiviteit. Sferische morfologieën verbeteren ook de poederstroom. Een hogere zuiverheid vermindert verontreinigingen en verbetert de eigenschappen.

Ti3Al-poederproductie

Er zijn verschillende methoden gebruikt om Ti3Al-poeder te produceren, waaronder:

• Gasverstuiving – Gesmolten Ti-Al-legering wordt met inert gas verneveld tot fijne druppeltjes die tot poeder stollen. Dit produceert bolvormige deeltjes met een goede vloeibaarheid.
• Mechanisch legeren – Elementaire Ti- en Al-poeders worden in een kogelmolen gemalen om de intermetaalverbinding mechanisch te synthetiseren. De poederdeeltjes hebben onregelmatige vormen.
• Plasma-sferoïdisatie – Onregelmatig Ti3Al-poeder afkomstig van mechanische legering wordt opnieuw gesmolten in een plasma om bolvormig poeder te genereren.
• Elektrode-inductie smeltgasverneveling (EIGA) – Smelt en verstuift een elektrode van Ti3Al direct om poeder te produceren.

Gasverneveling en plasmaverwerking zorgen voor een betere controle over de deeltjesgrootteverdeling, morfologie, zuurstofopname en microstructuur. Het poeder moet na productie doorgaans in specifieke groottefracties worden gezeefd op basis van de toepassingsvereisten.

Ti3Al-poederkosten

Ti3Al-poeder is aanzienlijk duurder dan alleen titanium- of aluminiumpoeders. De kosten variëren tussen:

• $100 – $500 per kg voor 99% zuiver gasverstoven poeder
• $50 – $250 per kg voor 99% mechanisch gelegeerd poeder
• $300 – $1000 per kg voor 99,9% plasma-bolvormige poeder

Prijzen zijn afhankelijk van deeltjesgrootte, morfologie, zuiverheidsniveau, bestelhoeveelheid en fabrikant. Aangepaste legeringen met speciale samenstellingen kunnen zelfs nog duurder zijn. De kosten zijn gedaald als gevolg van toegenomen productievolumes en procesverbeteringen.

Leveranciers van Ti3Al-poeders

Enkele van de belangrijkste wereldwijde leveranciers van Ti3Al-poeder zijn onder meer:

Bedrijf	Plaats
AP&C	Canada
TLS Technik GmbH	Duitsland
Metaaltechnologie	Groot-Brittannië
ATI-poedermetalen	VS
Timmerman additief	VS
Met3DP	China
Tekna	Canada

Er zijn ook enkele producenten in China. Het wordt aanbevolen om poeder te betrekken van gevestigde fabrikanten die gekwalificeerde productieprocessen gebruiken om betrouwbare kwaliteit en eigenschappen te garanderen.

Ti3Al versus alternatieven

Ti3Al concurreert met verschillende alternatieven voor structurele toepassingen bij hoge temperaturen:

Tabel: Vergelijking van Ti3Al versus andere hogetemperatuurlegeringen

Legering	Dikte	Maximale temperatuur	Kracht	Ductiliteit	Oxidatie weerstand	Kosten
Ti3Al	Laag	Heel hoog	Hoog	Laag	Goed	Hoog
Inconel 718	Hoog	Hoog	Medium	Medium	Goed	Medium
Haynes 230	Hoog	Heel hoog	Hoog	Laag	Uitstekend	Heel hoog
Ti6Al4V	Medium	Medium	Medium	Medium	Uitstekend	Medium
Ferritische roestvaste staalsoorten	Medium	Medium	Laag	Hoog	Arm	Laag

Voor maximale bedrijfstemperaturen zijn Ti3Al en op nikkel gebaseerde superlegeringen zoals Haynes 230 superieur. De lagere dichtheid en kosten van Ti3Al zijn echter voordelig voor gewichtskritische toepassingen zoals de lucht- en ruimtevaart.

De slechte ductiliteit van Ti3Al bij kamertemperatuur blijft een belangrijke beperking ten opzichte van staal en Ti6Al4V. De ontwikkeling van legeringen en processen blijft de bewerkbaarheid en vervaardigbaarheid verbeteren.

Voordelen van Ti3Al-poeder

De belangrijkste voordelen van het gebruik van Ti3Al-poeder zijn onder meer:

• Hoge sterkte gehandhaafd tot 800°C
• Dichtheid 40% lager dan nikkelsuperlegeringen
• Uitstekende kruipweerstand
• Goede oxidatie- en corrosieweerstand
• Vuurvaste metaalvervanging zonder strategische materiële risico's
• Near-net-vormproductie met poedermetallurgie
• Componenten kunnen bij hogere temperaturen werken
• Gewichtsbesparing in roterende onderdelen zoals turbinebladen
• Verbeterde efficiëntie door hogere bedrijfsparameters

De unieke balans tussen mechanische eigenschappen, lage dichtheid en thermische stabiliteit maakt Ti3Al tot een geschikt materiaal voor de volgende generatie systemen voor de lucht- en ruimtevaart, de automobielsector en de energieopwekking.

Beperkingen van Ti3Al-poeder

Ondanks de voordelen heeft Ti3Al ook bepaalde nadelen:

• Bros bij kamertemperatuur, ductiliteit verbetert boven 500°C
• Fabricage en bewerking zijn een uitdaging
• Snel eigendomsverlies onder 400°C
• Grondstof- en verwerkingskosten zijn zeer hoog
• De toeleveringsketen is beperkt en er zijn weinig producenten
• Componentontwerp vereist gespecialiseerde technische expertise
• Niet gemakkelijk te lassen of te verbinden met conventionele technieken
• Moeilijk te recyclen en hergebruiken

Productie- en kostenhindernissen hebben tot nu toe de brede commerciële acceptatie van Ti3Al vertraagd. Maar de capaciteiten ervan blijven de ontwikkelingsinspanningen stimuleren om deze beperkingen te overwinnen door middel van verbeterde legeringschemie, poederkwaliteit en componentontwerp.

Vooruitzichten voor Ti3Al-poeder

Er wordt verwacht dat Ti3Al een groter gebruik zal zien in de lucht- en ruimtevaart-, automobiel-, industriële gasturbine- en energieopwekkingssectoren als gevolg van:

• Toenemende vraag naar brandstofefficiëntie van straalmotoren en lagere emissies
• Materialen voor hoge temperaturen die nodig zijn voor elektrische turbocompressoren
• Groeiende markt voor additieve productietechnologieën
• Focus op strategische materiaalvervanging voor zeldzame aardmetalen en vuurvaste metalen
• Kostenreductie door verbeterde productieproductiviteit

De automobiel- en industriële markten zijn prijsgevoeliger en vereisen een aangetoond kosten-prestatievoordeel ten opzichte van bestaande legeringen. De lucht- en ruimtevaartsector is eerder bereid een premie te betalen voor maximale prestaties.

Overheidsinitiatieven in de VS, de EU en Japan versnellen de R&D op het gebied van de productie van Ti3Al-poeder, de fabricage van componenten, verbindingsmethoden en de ontwikkeling van legeringen. Dit zal de toepassingsruimte vergroten en zorgen voor een hogere acceptatiegraad.

Veel Gestelde Vragen

Vraag: Waar wordt Ti3Al-poeder voor gebruikt?

A: Ti3Al-poeder wordt gebruikt voor de vervaardiging van componenten met een hoge temperatuur, zoals turbinebladen, turbowielen, warmtewisselaars en andere onderdelen die werken bij temperaturen tussen 500 en 800 °C. Het biedt een uitstekende balans tussen hoge sterkte, lage dichtheid en goede oxidatieweerstand.

Vraag: Hoe wordt Ti3Al-poeder gemaakt?

A: Veel voorkomende productiemethoden zijn onder meer gasverneveling, plasmaverneveling, elektrode-inductie-smeltgasverneveling (EIGA) en mechanische legering. Elk proces resulteert in verschillende poedereigenschappen die geschikt zijn voor specifieke toepassingen.

Vraag: Is Ti3Al-poeder beter dan Inconel 718?

A: Ti3Al heeft een lagere dichtheid en levert dus een gewichtsbesparing op ten opzichte van Inconel 718. Het heeft een hogere sterkte bij temperaturen boven 700°C. De ductiliteit van Ti3Al bij kamertemperatuur is echter vrij laag, terwijl Inconel 718 gemakkelijk kan worden vervaardigd en machinaal bewerkt.

Vraag: Wat zijn de kosten van Ti3Al-poeder?

A: Ti3Al-poeder kost ongeveer $450-750 per kg, wat bijna vijf keer duurder is dan nikkel-superlegeringen en tien keer duurder dan titanium- of aluminiumpoeders. De hoge kosten zijn te wijten aan de complexe verwerking en de beperkte marktvraag.

Vraag: Hoe wordt Ti3Al-poeder behandeld en opgeslagen?

A: Net als andere reactieve legeringspoeders vereist Ti3Al een deken met inert gas en een vochtvrije opslag. Er mogen alleen keramische, glazen of roestvrijstalen containers worden gebruikt. Veiligheidsmaatregelen omvatten aarding, ventilatie en ademhalingsbeschermingsmiddelen.

Vraag: Wat zijn de uitdagingen bij het gebruik van Ti3Al-poeder?

A: De belangrijkste beperkingen zijn een slechte ductiliteit bij kamertemperatuur, hoge materiaalkosten, een beperkt aantal leveranciers, problemen bij de bewerking/fabricage en een gebrek aan verbindingstechnologieën. Verbeteringen van legeringen, procesontwikkelingen en optimalisatie van het componentontwerp zijn nodig om het commerciële gebruik uit te breiden.

Vraag: Wat zijn de toekomstvooruitzichten voor Ti3Al-poeder?

A: Er wordt verwacht dat het gebruik van Ti3Al-poeder aanzienlijk zal groeien in lucht- en ruimtevaartmotoren, turbocompressoren voor auto's en industriële toepassingen bij hoge temperaturen. Initiatieven om de kosten te verlagen, de eigenschappen te verbeteren en de productie te laten rijpen zullen een bredere acceptatie mogelijk maken.