钛铌合金粉

钛铌合金粉简介

钛铌合金粉由钛和铌组成。 铌 金属它具有高强度、低密度、生物相容性、耐腐蚀性、抗疲劳性和高温抗蠕变性的独特组合。

钛铌合金是更广泛的钛金属间材料的一部分，与纯钛相比，具有更优异的物理、化学和机械性能。添加铌作为合金元素可增强某些性能，并可针对特定应用定制钛铌合金。

钛铌合金粉的一些主要优点包括

• 高强度重量比
• 能够承受极端温度和压力
• 在恶劣环境中抗磨损、抗磨损、抗腐蚀
• 生物相容性好，无毒，可用于医疗用途
• 可使用快速成型技术加工成复杂形状
• 为工程师提供设计灵活性

在航空航天工业中，钛铌合金可与镍基和钴基超级合金竞争。它们还为生物医学植入物和设备提供了不锈钢的替代材料。钛铌合金正在实现其他材料无法实现的新应用和新设计。

本文提供的技术参考资料涵盖钛铌合金粉的成分、性能、加工、应用、规格、成本和其他实用方面。

钛铌合金粉成分

钛铌合金的主要成分是钛和铌。按重量计，铌的含量通常在 10% 到 50% 之间，其余为钛。

钛和铌的比例可以调整，以制造出不同等级的钛铌合金，并针对某些特性进行优化。一些常见的钛铌合金牌号包括

• Ti-10Nb - 10% 铌，90% 钛
• Ti-35Nb - 35% 铌，65% 钛
• Ti-45Nb - 45% 铌，55% 钛
• Ti-50Nb - 50%铌，50%钛

此外，还可添加少量其他元素，如锆、钽、钼、铬，以进一步提高性能。氧和氮也可能作为杂质存在。

表 1：常见钛铌合金牌号的化学成分

合金等级	铌含量	钛含量
钛-10Nb	10%	90%
钛-35Nb	35%	65%
钛-45铌	45%	55%
钛-50Nb	50%	50%

要使钛铌合金最终产品达到所需的性能，控制成分至关重要。粉末冶金技术可将组成金属精确地混合到合金粉末原料中。

钛铌合金粉特性

钛铌合金具有一系列有用的物理、机械和化学特性，适合高性能应用。其中一些关键特性包括

物理特性

• 密度 - 4.5 至 5.5 克/立方厘米，低于钢和镍合金
• 熔点 - 1550 至 1750°C (取决于成分)
• 电阻率 - 0.5 至 0.6 μΩ.m，高于纯钛
• 导热系数 - 6 至 22 W/m.K，比钛低

机械性能

• 拉伸强度 - 500 至 1100 兆帕，随铌含量的增加而增加
• 屈服强度 - 300 至 900 兆帕
• 伸长率 - 10% 至 25%
• 硬度 - 200 至 350 HV
• 疲劳强度 - 400 至 600 兆帕

其他属性

• 耐腐蚀性 - 由于具有氧化保护层，因此性能优异
• 耐磨性 - 由于硬度高，比钛更好
• 生物相容性 - 无毒、无致敏性

通过调整钛/铌比，可根据应用要求优化强度、延展性、硬度和弹性模量等性能。

表 2：Ti-35Nb 合金的典型特性

物业	价值
密度	5.2 克/立方厘米
熔点	1600°C
拉伸强度	650 兆帕
屈服强度	550 兆帕
伸长率	15%
弹性模量	60 GPa
硬度	250 高压

钛铌合金粉应用

钛铌合金的独特性能使其适用于各行各业的苛刻应用：

航空航天

• 发动机部件--叶片、制动盘、紧固件
• 机身部件 - 起落架、机翼、机身
• 液压系统 - 泵、阀、执行器

汽车

• 气门弹簧、发动机气门
• 连杆、涡轮增压器转子
• 赛车部件

生物医学

• 骨科植入物 - 膝关节、髋关节
• 种植牙、牙冠
• 手术器械
• 医疗设备

化学工业

• 热交换器、反应器
• 泵、阀门、管道
• 耐腐蚀设备

其他应用

• 体育用品 - 高尔夫球杆、自行车架
• 高档手表和珠宝
• 电气触点和连接器
• 高温炉部件

钛铌合金集强度、耐温性、耐腐蚀性和生物相容性于一身，可在这些行业中替代较重的材料。

表 3：钛铌合金的工业应用

行业	应用
航空航天	发动机部件、机身部件、液压系统
汽车	气门弹簧、发动机气门、连杆
生物医学	植入物、牙科、手术器械、设备
化学	热交换器、反应器、泵、阀门
其他	体育用品、手表、电气触点、炉子零件

钛铌合金粉加工

钛铌合金粉可通过不同的加工工艺生产：

金属粉末混合

• 将元素钛粉和铌粉按所需成分混合在一起
• 混合的粉末混合物经机械合金化后形成钛铌合金粉末

气体雾化

• 用惰性气体将熔融钛铌合金雾化成细小液滴
• 液滴凝固成球形合金粉末颗粒

等离子旋转电极工艺（PREP）

• 使用等离子弧熔化钛铌电极棒并高速旋转
• 离心力使液滴破裂并凝固成颗粒

氢化物-脱氢（HDH）法

• 钛和铌金属转化为脆性氢化物粉末
• 氢化物粉末经过混合、脱水、粉碎和筛分

粉末的粒度、形态、流动性和微观结构可以通过选择适当的制造工艺来控制。这将影响固结后的最终性能。

表 4：钛铌合金粉生产方法

方法	说明	颗粒大小	形态学
机械合金化	钛和铌粉末的混合与研磨	10 - 50 微米	不规则、有棱有角
气体雾化	惰性气体雾化熔融合金	15 - 150 微米	球形
等离子旋转电极	熔化电极的离心分解	50 - 150 微米	球形
人类发展住房进程	水合、脱水、粉碎混合粉末	10 - 63 微米	不规则、有棱有角

钛铌合金粉的固结

钛铌合金粉可通过各种粉末冶金固结技术转化为全密度部件：

热等静压（HIP）

• 封装粉末在高温高压下进行 HIP 反应

真空烧结

• 粉末在真空炉中压实和烧结

火花等离子烧结

• 粉末同时被脉冲直流电加热和压缩

金属注射成型 (MIM)

• 粉末与粘合剂混合、成型、去毛刺和烧结

快速成型制造

• 粉末床熔融（SLM、EBM）或定向能沉积（DED）

HIP 和真空烧结可实现接近全密度，同时保留精细的微观结构。增材制造具有更大的几何自由度。可对固结过程进行优化，以实现所需的性能。

表 5：钛铌合金粉末固结技术

方法	说明	密度	微观结构	几何学
HIP	高压、高温	接近全密度	精美	简单的形状
真空烧结	真空炉烧结	接近全密度	精美	简单的形状
火花等离子烧结	脉冲电流和压力	全密度	超细	简单的形状
金属注射成型	粉末+粘合剂成型	接近全密度	超细	复杂形状
快速成型制造	粉末床熔融或定向能沉积	接近全密度	粗	复杂形状

钛铌合金粉的规格

钛铌合金粉有各种规格，适合不同的应用：

作曲： 铌含量为 10% 至 50% 的牌号

颗粒大小： 10 至 150 微米

形态学： 球形、不规则或混合

生产方式： 气体雾化、HDH、混合元素

纯净： >99.5% 钛， >99.8% 铌

含氧量： <2000 ppm

流动性 霍尔流量 > 23 秒/50 克

表观密度： ≥ 2.5 克/立方厘米

水龙头密度： ≥ 3.5 克/立方厘米

化学成分、粒度分布、形态、流速和密度是通常指定的属性。可为特定应用生产定制合金和粉末规格。

表 6：Ti-35Nb 气体雾化粉末的典型规格

参数	规格
合金成分	钛-35Nb
颗粒大小	15 至 45 微米
形态学	球形
生产方法	气体雾化
纯净	钛 >99.5%，铌 >99.8%
氧气含量	<1500 ppm
流量	>38 秒/50 克
表观密度	≥ 2.7 克/立方厘米
水龙头密度	≥ 4.2 克/立方厘米

钛铌合金粉供应商

全球领先的钛铌合金粉供应商包括

• AP&C - 钛铌合金粉
• 大西洋设备工程师公司 - 球形和角形粉末
• TLS Technik - 气体雾化钛铌合金
• 金属技术 - 混合元素粉末和预合金粉末
• 山特维克 Osprey - 气体雾化球形粉末
• 卡彭特添加剂--定制合金粉

钛和铌金属供应商也提供钛铌合金。这些粉末生产商可提供标准合金和定制成分。

表 7：钛铌合金粉供应商

公司名称	材料	生产方法
AP&C	钛、铌、钛铌合金	气体雾化
大西洋设备工程师公司	钛、铌、钛铌合金	气体雾化、混合
TLS 技术	钛铌合金	气体雾化
金属技术	钛铌合金	混合元素，预合金化
山特维克鹗	钛铌合金	气体雾化
木匠添加剂	定制钛铌合金	气体雾化

钛铌合金粉的成本

钛铌合金粉比单独的钛或铌粉贵。成本取决于

• 成分 - Nb 含量越高，成本越高
• 纯度--纯度越高成本越高
• 颗粒大小和分布
• 生产方法 - 气体雾化粉末成本更高
• 订购数量 - 数量越大，成本越低

小批量钛铌合金粉的指示性定价：

• 钛-10Nb：每公斤 $100 至 $300
• 钛-35Nb：每公斤 $200 至 $500
• 钛-50Nb：每公斤 $300 至 $800

对于数百公斤或数吨的大宗订单，价格会大幅降低。

表 8：钛铌合金粉的指示性定价

合金	定价（$/公斤）
钛-10Nb	$100 – $300
钛-35Nb	$200 – $500
钛-50Nb	$300 – $800

钛铌合金粉的处理和储存

作为一种活性金属粉末，在处理钛铌合金粉时需要小心谨慎：

• 密封储存在干燥、惰性气体环境中，以防止氧化和污染
• 避免与氧气、湿气、油类、可燃物接触
• 防止表面或设备上积聚细小粉末
• 将处理过程中使用的所有导电设备接地
• 使用防火花工具，尽量减少粉尘产生
• 操作时戴手套和呼吸防护装置
• 使用接地通风系统，避免尘云
• 远离热源、火焰、火花和其他火源
• 按照安全数据表了解正确的个人防护设备和预防措施

如果在干燥、惰性气体环境中储存得当，钛铌合金粉的保质期一般为 12 个月。不适当的储存条件会导致氧化、流动性下降或燃烧危险。

表 9：钛铌合金粉处理指南

参数	指导方针
存储	密封容器，干燥惰性气氛
氛围	避免氧气、湿气、油类和可燃物
设备	将所有导电设备接地
工具	使用不产生火花的工具
通风	接地通风系统
个人防护设备	手套、呼吸防护装置
预防措施	避免高温、火焰和火花
保质期	在惰性气氛中 12 个月

钛铌合金粉安全数据表

与其他活性金属粉末一样，钛铌合金也有一些重要的安全预防措施：

• 穿戴个人防护设备--手套、护目镜、口罩/呼吸器
• 避免吸入粉末 - 使用呼吸保护装置
• 避免接触皮肤和眼睛
• 处理粉末后彻底清洗
• 避免火源，粉末可能易燃
• 正确接地和通风
• 惰性储存环境，防止氧化
• 避免溢出和表面积尘
• 遵循 SDS 和警告标签上的说明

急救：

• 吸入：转移到空气新鲜处。必要时寻求医疗帮助。
• 皮肤接触：用肥皂和水清洗。如果刺激症状持续，请寻求帮助。
• 眼睛接触：用水冲洗眼睛 15 分钟。就医。
• 摄入：喝水。如有不适，请就医。

在处理和加工钛铌合金粉之前，请务必参阅供应商提供的 SDS，以了解完整的健康和安全信息。

表 10：钛铌合金粉的主要安全措施

安全项目	预防措施
个人防护设备	手套、护目镜、N95 口罩
吸入	使用呼吸保护装置
皮肤接触	用肥皂和水清洗患处
目光接触	用水冲洗眼睛 15 分钟
摄入	喝水。必要时寻求医疗帮助。
通风	使用接地通风罩
接地	在搬运过程中将所有设备接地
点火	避免火花、火焰和热源
存储	惰性气氛，远离易燃物

钛铌合金粉的质量检验

为确保钛铌合金粉符合规格要求，需要进行各种质量检查：

• 化学分析 - ICP、GDMS 或 LECO 分析，以验证成分和纯度
• 粒度分析 - 激光衍射或筛分分析粒度分布
• 形态学 - 通过扫描电子显微镜成像检查颗粒形状和表面拓扑结构
• 流量 - 霍尔流量计测试粉末流动性
• 密度 - 表观密度和抽头密度测量
• 氧气/氮气 - 惰性气体融合分析间隙杂质
• 阶段识别 - 通过 XRD 分析确定存在的相

每批粉末的性能都经过测试，符合 ASTM B939、ASTM F3049 和 EN 10204 3.1 等质量标准。粉末可在不同批次之间混合，以达到均匀性。

表 11：钛铌合金粉的测试方法

测试	方法	标准
组成	国际公务员制度委员会、全球移徙与发展战略、劳工组织	ASTM E1479、ASTM E2330
粒径分布	激光衍射、筛分	ASTM B822
形态学	扫描电子显微镜成像	ASTM B822
流量	霍尔流量计	ASTM B213
密度	斯科特容积计	ASTM B212
氧气/氮气	惰性气体聚变	ASTM E1019
阶段分析	X 射线衍射	ASTM E1876

钛铌合金的医疗应用

由于钛铌合金具有生物相容性、高强度和低模量，因此被广泛用于医疗植入物和设备：

骨科植入物

• 膝关节和髋关节置换术
• 骨板、螺钉
• 脊柱固定装置
• 种植牙和牙桥

钛铌合金（如钛-35铌和钛-45铌）与人体骨骼的弹性模量相匹配，同时具有很高的疲劳强度。与较硬的钛合金相比，这种合金可减少应力屏蔽。

心血管设备

• 支架
• 起搏器外壳
• 导丝
• 手术器械

钛铌合金的耐腐蚀性、无毒性和无磁性使其适用于接触血液和组织的设备。

医用钛铌合金牌号

• 钛-10Nb 至钛-50Nb
• 调整特性的钛-铌-锆、钛-铌-钽
• ISO 5832-11 和 ASTM F2066 标准

通常使用模量较低的 Ti-35Nb 和 T-45Nb。较高的 Nb 可增强强度，但会增加模量。少量 Zr/Ta 添加可进一步调整性能。

生物医学用钛铌合金的优势

• 优异的生物相容性和骨结合性
• 高强度和抗疲劳性
• 接近骨骼的低模量
• 无毒、无致敏性
• 耐腐蚀
• 非磁性

钛铌合金可为植入体提供强度、生物相容性、耐腐蚀性和弹性模量的最佳组合。

钛铌合金医疗部件面临的挑战

• 加工和制造难度大
• 成本高于 Ti-6Al-4V 合金
• 需要严格的质量控制和测试
• 长期临床数据仍在不断发展

作为一种相对较新的医疗用途，钛铌元件的制造和许可可能更为复杂。但它们的优势超过了短期的挑战。

钛铌合金的汽车用途

钛铌合金的高强度、耐温性和疲劳寿命使其成为汽车零部件的理想材料：

气门弹簧

• 强度更高，弹簧质量更小
• 减少高转速时的气门浮动
• 允许更高的功率输出

发动机气门

• 可承受高温废气
• 抗磨损和变形
• 重量轻

连杆

• 高强度重量比
• 减少往复运动质量
• 允许更高的转速和功率

涡轮增压器转子

• 高温下仍能保持强度
• 抗蠕变变形
• 抗热震性
• 低密度

赛车部件

• 轻质悬挂和底盘部件
• 卓越的疲劳寿命

质量和惯性的降低，加上耐温性和抗疲劳性，可提高发动机的性能和效率。

汽车用钛铌合金面临的挑战

• 成本高于钢合金
• 粉末冶金的加工难题
• 供应商和制造经验有限
• 成本效益比不确定

这些优点可能会在初期为高端汽车和赛车运动提供合理的溢价。更广泛的应用取决于 TiNb 粉末生产商能否降低成本。

钛铌合金的航空应用

在需要低温强度的飞机发动机和机身应用中，钛铌合金与镍超级合金竞争：

发动机部件

• 涡轮叶片、圆盘、外壳
• 压缩机叶片
• 轴、紧固件
• 推力反向器

结构部件

• 起落架
• 鸡翅、排骨、串肉
• 机身框架
• 液压管

益处

• 30-50% 密度低于镍超合金
• 减轻重量
• 类似的强度和抗蠕变性
• 可承受高应力和高温

挑战

• 目前成本高于钛合金
• 与锻造合金相比加工困难
• 有限的生产经验和可用性
• 财产数据仍在演变

航空航天工业比较保守，因此在采用钛铌等新合金之前，需要进行大量的测试和鉴定计划，以证明其可行性并建立供应链。

钛铌合金的其他应用

除医疗、汽车和航空航天用途外，钛铌合金还适用于：

• 船舶 - 螺旋桨、泵轴、配件
• 化工 - 热交换器、冷凝器、管道
• 体育用品 - 高尔夫球杆、自行车架、球拍
• 发电 - 蒸汽轮机和燃气轮机部件
• 电子 - 溅射靶材、电容器
• 珠宝 - 手表、戒指、穿孔
• 石油和天然气 - 井下工具、阀门、泵

钛铌合金的耐腐蚀性、生物相容性和电气性能扩大了其在各行各业的用途。

随着钛铌合金粉制造经验的不断丰富，持续的研究和开发将发现新的应用领域。钛铌合金独特的平衡特性将使其他材料无法实现的设计成为可能。

钛铌合金的未来展望

• 人口老龄化和对更好植入物的需求推动医疗用途不断扩大
• 航空航天领域加速采用该技术以减轻重量
• 由于高性能需求，汽车应用不断升级
• 对深海勘探硬件的石油和天然气兴趣上升
• 通过粉末冶金和 AM 技术改进制造工艺
• 正在开发可定制特性的新等级
• 生产商增加钛铌合金产能，供应链不断扩大
• 产量增加，成本下降
• 各行业更广泛的认识和接受

钛铌合金的前景一片光明，它将成为一种新的先进材料，在要求最苛刻的应用中取代传统合金。钛铌合金能否取得成功，取决于能否继续投资，以提高经济承受能力。

关于钛铌合金粉的重要启示

• 与钛相比，钛铌合金具有更优越的机械性能
• 比纯钛更强、更硬、硬度更高
• 与镍/钢合金相比，密度更低，强度更高
• 出色的高温性能
• 在恶劣环境中抗蠕变、抗疲劳、抗腐蚀
• 用于医疗植入物的出色生物相容性
• 通过改变钛/铌比可调节性能
• 通过混合元素或预合金化粉末冶金技术生产
• 粉末可通过 AM、HIP、MIM 或烧结进行固化
• 领先应用于航空航天、汽车和生物医学行业
• 轻量化和高性能需求推动未来前景看好

钛铌合金是粉末冶金技术带来的先进金属材料突破。随着制造成本的下降，钛铌合金有望颠覆一些需要轻质、高强度和耐高温合金的行业。

有关钛铌合金粉的常见问题

以下是有关 TiNb 合金粉末的一些常见问题的答案：

问：与钛合金相比，钛铌合金的主要优点是什么？

与钛合金相比，钛铌合金具有更高的强度、刚度、硬度、耐磨性和高温性能。它们的密度也低于镍和钢合金。

问：哪些行业使用钛铌合金？

主要应用于航空航天、汽车、生物医学、化工、海洋和发电行业。随着粉末冶金产量的增加，其用途也在不断扩大。

问：TiNb 合金粉末的价格范围一般是多少？

根据成分、质量和订单量的不同，Ti-10Nb 的价格约为 $100/kg，Ti-50Nb 的价格约为 $300-800/kg。随着产量的增加，价格正在下降。

问：钛铌合金粉的常见粒度是多少？

典型的颗粒大小为 10 至 150 微米。10-45 微米的细粉末首选用于增材制造。粗至 150 微米的粉末则用于冲压和烧结应用。

问：如何生产钛铌合金粉？

主要生产方法包括气体雾化、等离子体球化、氢化物-脱氢工艺和混合元素。气体雾化和等离子体球化粉末具有球形形态，是 AM 的首选。

问：哪些标准适用于医疗用途的钛铌合金？

ISO 5832-11 和 ASTM F2066 标准涵盖了外科植入级钛铌合金的成分、机械性能、质量控制测试和加工要求。

问：钛铌合金可以 3D 打印吗？

是的，钛铌合金粉与激光粉末床熔融、电子束粉末床熔融和定向能沉积三维打印工艺兼容。需要对参数进行优化，以获得良好的密度和性能。

问：钛铌粉是否存在健康风险？

与其他金属粉末一样，在处理钛铌粉末时需要采取一定的预防措施，以尽量减少粉尘爆炸的风险和吸入接触。但这种合金本身具有很高的生物相容性。

问：采用钛铌合金的前景如何？

在轻质、高强度和耐热材料需求的推动下，TiNb 合金的使用范围将不断扩大，前景十分广阔。随着粉末冶金生产成本的降低，钛铌合金的应用将会加速。

这涵盖了工程师在钛铌合金粉作为一种新兴先进材料的规格、加工、应用和前景方面的关键问题。如有任何其他具体问题，请联系我们。