Ti3Al Tozu: Bileşim, Özellikler, Uygulamalar ve Daha Fazlası

Ti3Al tozunun bazı temel özellikleri ve karakteristikleri şunlardır:

• 750°C'ye kadar yüksek sıcaklıklarda yüksek mukavemet
• Nikel süper alaşımların yaklaşık yarısı kadar yoğunluk
• Üstün korozyon direnci
• Diğer titanyum alaşımlarına kıyasla düşük yoğunluk
• Yaklaşık 700°C'ye kadar oksidasyon direnci
• Aşınma direnci
• Biyouyumluluk

Bununla birlikte, Ti3Al'in zayıf oda sıcaklığı sünekliği, düşük kırılma tokluğu ve zayıf kaynaklanabilirlik gibi sınırlamaları da vardır. Farklı uygulamalara yönelik özellik dengesini optimize etmek için uygun işleme ve alaşım ilaveleri gereklidir.

Bu makale Ti3Al tozunun bileşimi, özellikleri, uygulamaları, tedarikçileri, maliyetleri, test yöntemleri ve diğer teknik detayları hakkında ayrıntılı bir genel bakış sunmaktadır.

Ti3Al Toz Bileşimi

Ti3Al tozu, ağırlıkça 75% titanyum ve 25% alüminyumdan oluşan nominal bir bileşime sahiptir. Titanyum alüminid intermetalik bileşiği, Ti3Al en yaygın versiyon olmak üzere 50-75% alüminyum arasında oluşur.

Kesin bileşim üretim yöntemine bağlı olarak değişebilir. Nb, Mo, Si, B, Ta, W, C ve O gibi diğer elementler, belirli özellikleri geliştirmek için genellikle küçük miktarlarda eklenir. Aşağıdaki tablo tipik bileşim aralığını göstermektedir:

Element	Ağırlık %
Titanyum (Ti)	69 – 76%
Alüminyum (Al)	24 – 31%
Niyobyum (Nb)	0 – 6%
Molibden (Mo)	0 – 4%
Silisyum (Si)	0 – 2%
Bor (B)	0 – 0.5%
Tantal (Ta)	0 – 5%
Tungsten (W)	0 – 5%
Karbon (C)	0 – 0.1%
Oksijen (O)	0 – 0.2%

Oksijen ve karbon içeriğinin kontrol edilmesi, gevrekleşmeyi önlemek ve sünekliği korumak için kritik öneme sahiptir. Hammaddelere ve prosese bağlı olarak diğer eser elementler de mevcut olabilir.

Ti3Al Toz Özellikleri

Ti3Al tozunun benzersiz özellikleri, hem titanyum hem de alüminyum atomlarından oluşan düzenli intermetalik kristal yapısından kaynaklanmaktadır. Dikkate değer özelliklerinden bazıları şunlardır:

Yüksek Sıcaklık Dayanımı

Ti3Al, 750°C'ye kadar nispeten yüksek mukavemetini korur ve tek başına titanyum veya alüminyumdan önemli ölçüde daha iyidir. Bu da onu motorlarda, türbinlerde, valflerde vb. yüksek sıcaklık uygulamaları için uygun hale getirir. Aşağıdaki tablo Ti3Al'in mukavemetini farklı sıcaklıklardaki diğer titanyum alaşımlarıyla karşılaştırmaktadır:

Alaşım	Oda Sıcaklığı Dayanımı (MPa)	500°C'de Mukavemet (MPa)	Yoğunluk (g/cm3)
Ti3Al	400	260	3.9
Ti6Al4V	900	500	4.5
Ti64	900	400	4.5

Düşük Yoğunluk

Yoğunluğu 3,7 - 4,1 g/cm3 civarında olan Ti3Al, nikel süper alaşımlarından ve diğer titanyum alaşımlarının çoğundan çok daha hafiftir. Bu, havacılık ve uzay uygulamalarında kritik olan bileşen ağırlığının azaltılmasına yardımcı olur.

Oksidasyon Direnci

Ti3Al, alaşımsız titanyumdan daha iyi olmak üzere havada 700°C'ye kadar iyi oksidasyon direnci sunar. Bu, aşırı malzeme kaybı olmadan yüksek sıcaklıklarda çalışmasına olanak tanır.

Korozyon Direnci

Titanyum içeriği Ti3Al'e çok çeşitli asitlere, alkalilere ve tuzlu ortamlara karşı mükemmel korozyon direnci sağlar. Bu da onu kimyasal işleme ekipmanlarında kullanışlı hale getirir.

Aşınma Direnci

Ti3Al, çeliklerle karşılaştırılabilir iyi bir aşınma ve erozyon direncine sahiptir, bu da onu valfler, pompalar ve ekstrüzyon kalıpları gibi yüksek aşınma uygulamaları için uygun hale getirir.

Bununla birlikte, Ti3Al aşağıdaki gibi dezavantajlardan da muzdariptir:

• Zayıf oda sıcaklığı sünekliği ve kırılma tokluğu
• Üretimi ve işlenmesi zor
• Çatlamaya yatkınlık nedeniyle zayıf kaynaklanabilirlik

Amaçlanan uygulamaya yönelik özellik dengesini optimize etmek için uygun işleme ve alaşım ilaveleri gereklidir.

Ti3Al Toz Uygulamaları

Ti3Al tozunun benzersiz özellikleri onu aşağıdaki uygulamalar için uygun hale getirir:

Havacılık ve Uzay

Havacılık ve uzay endüstrisi, ağırlık tasarrufu, yüksek sıcaklık dayanımı ve oksidasyon direnci ihtiyacı nedeniyle Ti3Al ürünlerinin en büyük tüketicisidir. Tipik uygulamalar şunları içerir:

• Türbin kanatları, kanatlar, diskler
• Yanma odaları, art yakıcılar
• Uçak gövdeleri, yapısal bileşenler
• Hidrolik borular, valfler

Otomotiv

Otomotiv endüstrisi, yüksek sıcaklık dayanımı ve düşük ağırlık gerektiren turboşarj bileşenleri, valfler, yaylar, bağlantı elemanları ve egzoz sistemi parçaları için Ti3Al kullanmaktadır.

Kimyasal İşleme

Ti3Al, yüksek sıcaklık mekanik özellikleri ile birlikte korozyon direnci gerektiren vanalar, pompalar, boru bağlantı parçaları, reaksiyon kapları gibi bileşenler için kullanılır.

Biyomedikal

Ti3Al'in biyouyumluluğu, korozyon direnci ve mukavemeti onu yapay kalça eklemleri gibi ortopedik implantlar için uygun hale getirir.

Diğer uygulamalar arasında yüksek performanslı valfler, ekstrüzyon kalıpları, ısıtma elemanları ve spor malzemeleri bulunmaktadır. Ti3Al ayrıca katkılı üretim tozu olarak da kullanılır.

Ti3Al Toz Özellikleri

Ti3Al tozu, üretim sürecine bağlı olarak farklı boyut aralıklarında, morfolojilerde ve saflık seviyelerinde mevcuttur. Temel özellikler aşağıda verilmiştir:

Şartname	Detaylar
Parçacık boyutları	15 - 150 mikron
Morfoloji	Küresel, açısal, karışık
Görünür yoğunluk	2 - 3,5 g/cm3
Musluk yoğunluğu	3 - 4,5 g/cm3
Saflık	≥99%, ≥99.9%
Oksijen içeriği	≤ 0,2 wt%
Azot içeriği	≤ 0,05 wt%
Karbon içeriği	≤ 0,08 wt%
Demir içeriği	≤ 0,30 wt%
Nikel içeriği	≤ 0,10 wt%
Standart paketler	5kg, 10kg, 25kg

Daha ince partikül boyutları genellikle daha iyi akışkanlık, paketleme yoğunluğu ve reaktivite sağlar. Küresel morfolojiler de toz akışını iyileştirir. Daha yüksek saflık kirleticileri azaltır ve özellikleri iyileştirir.

Ti3Al Toz Üretimi

Ti3Al tozu üretmek için kullanılan çeşitli yöntemler vardır:

• Gaz Atomizasyonu - Erimiş Ti-Al alaşımı inert gaz ile atomize edilerek toz halinde katılaşan ince damlacıklar haline getirilir. Bu, iyi akışkanlığa sahip küresel partiküller üretir.
• Mekanik Alaşımlama - Elemental Ti ve Al tozları, metaller arası bileşiği mekanik olarak sentezlemek için bilyalı öğütülür. Toz partikülleri düzensiz şekillere sahiptir.
• Plazma Sferoidizasyonu - Mekanik alaşımlamadan elde edilen düzensiz Ti3Al tozu, küresel toz oluşturmak için bir plazmada yeniden eritilir.
• Elektrot İndüksiyonlu Ergitme Gaz Atomizasyonu (EIGA) - Toz üretmek için bir Ti3Al elektrodunu doğrudan eritir ve atomize eder.

Gaz atomizasyonu ve plazma işleme, partikül boyutu dağılımı, morfoloji, oksijen alımı ve mikro yapı üzerinde daha iyi kontrol sağlar. Toz genellikle üretimden sonra uygulama gereksinimlerine göre belirli boyut fraksiyonlarına elenmelidir.

Ti3Al Toz Maliyeti

Ti3Al tozu, tek başına titanyum veya alüminyum tozlarından önemli ölçüde daha pahalıdır. Maliyetler arasında değişir:

• 99% saflıkta gaz atomize toz için kg başına $100 - $500
• 99% mekanik alaşımlı toz için kg başına $50 - $250
• 99,9% plazma sferoidize toz için kg başına $300 - $1000

Fiyatlar partikül boyutuna, morfolojiye, saflık seviyesine, sipariş miktarına ve üreticiye bağlıdır. Özel bileşimlere sahip özel alaşımların maliyeti daha da yüksek olabilir. Artan üretim hacimleri ve süreç iyileştirmeleri nedeniyle maliyetler düşmektedir.

Ti3Al Toz Tedarikçileri

Ti3Al tozunun başlıca küresel tedarikçilerinden bazıları şunlardır:

Şirket	Konum
AP&C	Kanada
TLS Technik GmbH	Almanya
Metal Teknolojisi	BIRLEŞIK KRALLIK
ATI Toz Metaller	ABD
Marangoz Katkısı	ABD
Met3DP	Çin
Tekna	Kanada

Çin'de de birkaç üretici bulunmaktadır. Güvenilir kalite ve özellikler sağlamak için tozun nitelikli üretim süreçleri kullanan yerleşik üreticilerden temin edilmesi önerilir.

Ti3Al ve Alternatifleri

Ti3Al, yüksek sıcaklıktaki yapısal uygulamalar için çeşitli alternatiflerle rekabet etmektedir:

Tablo: Ti3Al ile diğer yüksek sıcaklık alaşımlarının karşılaştırılması

Alaşım	Yoğunluk	Maksimum Sıcaklık	Güç	Süneklik	Oksidasyon Direnci	Maliyet
Ti3Al	Düşük	Çok yüksek	Yüksek	Düşük	İyi	Yüksek
Inconel 718	Yüksek	Yüksek	Orta	Orta	İyi	Orta
Haynes 230	Yüksek	Çok yüksek	Yüksek	Düşük	Mükemmel	Çok yüksek
Ti6Al4V	Orta	Orta	Orta	Orta	Mükemmel	Orta
Ferritik paslanmaz çelikler	Orta	Orta	Düşük	Yüksek	Zayıf	Düşük

Maksimum servis sıcaklıkları için Ti3Al ve Haynes 230 gibi nikel bazlı süper alaşımlar daha üstündür. Bununla birlikte, Ti3Al'in düşük yoğunluğu ve maliyeti, havacılık ve uzay gibi ağırlık açısından kritik uygulamalar için avantajlıdır.

Ti3Al'in zayıf oda sıcaklığı sünekliği, çelikler ve Ti6Al4V karşısında önemli bir sınırlama olmaya devam etmektedir. Alaşım ve süreç geliştirme, işlenebilirliği ve üretilebilirliği iyileştirmeye devam etmektedir.

Ti3Al Tozunun Avantajları

Ti3Al tozu kullanmanın temel faydaları şunlardır:

• 800°C'ye kadar korunan yüksek mukavemet
• Yoğunluk 40% nikel süper alaşımlardan daha düşük
• Mükemmel sürünme direnci
• İyi oksidasyon ve korozyon direnci
• Stratejik malzeme riskleri olmadan refrakter metal ikamesi
• Toz metalürjisi ile ağa yakın şekil üretimi
• Bileşenler daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilir
• Türbin kanatları gibi dönen parçalarda ağırlık tasarrufu
• Daha yüksek çalışma parametreleri sayesinde iyileştirilmiş verimlilik

Mekanik özellikler, düşük yoğunluk ve termal stabilitenin benzersiz dengesi, Ti3Al'i yeni nesil havacılık, otomotiv ve enerji üretim sistemleri için etkin bir malzeme haline getirmektedir.

Ti3Al Tozunun Sınırlamaları

Avantajlarına rağmen Ti3Al'in bazı dezavantajları da vardır:

• Oda sıcaklığında kırılgandır, süneklik 500°C'nin üzerinde artar
• İmalat ve işleme zorludur
• 400°C'nin altında hızlı özellik kaybı
• Hammadde ve işleme maliyetleri çok yüksektir
• Tedarik zinciri az sayıda üretici ile sınırlıdır
• Bileşen tasarımı özel mühendislik uzmanlığı gerektirir
• Geleneksel tekniklerle kolayca kaynaklanamaz veya birleştirilemez
• Geri dönüşümü ve yeniden kullanımı zor

Üretim ve maliyet engelleri, Ti3Al'in bugüne kadar geniş çapta ticari olarak benimsenmesini yavaşlatmıştır. Ancak yetenekleri, gelişmiş alaşım kimyaları, toz kalitesi ve bileşen tasarımı yoluyla bu sınırlamaların üstesinden gelmek için geliştirme çabalarını yönlendirmeye devam ediyor.

Ti3Al Tozu için Görünüm

Ti3Al'in havacılık, otomotiv, endüstriyel gaz türbini ve enerji üretimi sektörlerinde kullanımının artacağı tahmin edilmektedir:

• Jet motoru yakıt verimliliğine ve daha düşük emisyonlara yönelik artan talep
• Elektrikli turboşarjlar için gerekli yüksek sıcaklık malzemeleri
• Katmanlı üretim teknolojileri için büyüyen pazar
• Nadir toprak elementleri ve refrakter metaller için stratejik malzeme ikamesine odaklanma
• Gelişmiş üretim verimliliği sayesinde maliyet azaltma

Otomotiv ve endüstriyel pazarlar fiyata daha duyarlıdır ve mevcut alaşımlara karşı kanıtlanmış maliyet-performans avantajı gerektirir. Havacılık ve uzay sektörü maksimum performans için prim ödemeye daha isteklidir.

ABD, AB ve Japonya'daki hükümet girişimleri Ti3Al toz üretimi, bileşen imalatı, birleştirme yöntemleri ve alaşım geliştirme konularında Ar-Ge çalışmalarını hızlandırmaktadır. Bu, uygulama alanını genişletecek ve daha yüksek benimseme oranlarını teşvik edecektir.

Sıkça Sorulan Sorular

S: Ti3Al tozu ne için kullanılır?

C: Ti3Al tozu, türbin kanatları, turboşarj tekerlekleri, ısı eşanjörleri ve 500-800°C arasında çalışan diğer parçalar gibi yüksek sıcaklık bileşenlerinin üretiminde kullanılır. Yüksek mukavemet, düşük yoğunluk ve iyi oksidasyon direnci arasında mükemmel bir denge sağlar.

S: Ti3Al tozu nasıl yapılır?

C: Yaygın üretim yöntemleri arasında gaz atomizasyonu, plazma atomizasyonu, elektrot indüksiyon ergitme gaz atomizasyonu (EIGA) ve mekanik alaşımlama yer alır. Her işlem, belirli uygulamalar için uygun farklı toz özellikleri ile sonuçlanır.

S: Ti3Al tozu Inconel 718'den daha mı iyidir?

C: Ti3Al daha düşük yoğunluğa sahiptir, bu nedenle Inconel 718'e göre ağırlık tasarrufu sağlar. 700°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda daha yüksek mukavemete sahiptir. Bununla birlikte, Ti3Al'ın oda sıcaklığındaki sünekliği oldukça düşüktür, Inconel 718 ise kolayca imal edilebilir ve işlenebilir.

S: Ti3Al tozunun maliyeti nedir?

C: Ti3Al tozunun kg başına maliyeti $450-750 civarındadır ve bu nikel süper alaşımlarından yaklaşık 5 kat, titanyum veya alüminyum tozlarından ise 10 kat daha pahalıdır. Yüksek maliyet, karmaşık işleme ve sınırlı pazar talebinden kaynaklanmaktadır.

S: Ti3Al tozu nasıl kullanılır ve depolanır?

C: Diğer reaktif alaşım tozları gibi, Ti3Al de inert gaz örtüsü ve nemsiz depolama gerektirir. Sadece seramik, cam veya paslanmaz kaplar kullanılmalıdır. Güvenlik önlemleri topraklama, havalandırma ve solunum KKD'sini içerir.

S: Ti3Al tozu kullanmanın zorlukları nelerdir?

C: Temel sınırlamalar zayıf oda sıcaklığı sünekliği, yüksek malzeme maliyeti, sınırlı sayıda tedarikçi, işleme/fabrikasyon zorluğu ve birleştirme teknolojilerinin eksikliğidir. Ticari kullanımın yaygınlaştırılması için alaşım iyileştirmeleri, süreç geliştirmeleri ve bileşen tasarımı optimizasyonu gerekmektedir.

S: Ti3Al tozu için gelecekteki görünüm nedir?

C: Ti3Al toz kullanımının havacılık ve uzay motorlarında, otomotiv turboşarjlarında ve yüksek sıcaklıktaki endüstriyel uygulamalarda önemli ölçüde artacağı tahmin edilmektedir. Maliyetleri düşürme, özellikleri iyileştirme ve üretimi olgunlaştırma girişimleri daha geniş çapta benimsenmesini sağlayacaktır.