Analyzing titanium carbide ceramics: From tooling to hypersonic applications using ARL X’TRA Companion XRD

Analýza karbidu titanu (TiC) pomocí ARL X’TRA Companion XRD

Význam tématu

Karbid titanu (TiC) patří mezi nejtvrdší keramické materiály a kombinuje vysokou tvrdost, teplotní stabilitu, chemickou inertnost a dobrou vodivost. Tyto vlastnosti z něj činí klíčový materiál pro nástrojové aplikace, povlakové technologie, kompozitní vyztužení i ultra-vysokotepelné keramiky pro hypersonické aplikace. Strukturní parametry jako fázové složení, krystalinita, defekty a oxidační stav zásadně ovlivňují mechanické a tepelně-oxidační chování, proto je přesná fázová a mikrostrukturní charakterizace nezbytná pro optimalizaci výkonu v náročných aplikacích.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem application note bylo ukázat schopnost benchtop difraktometru Thermo Scientific ARL X’TRA Companion rychle a kvantitativně analyzovat práškové vzorky TiC, rozlišit oxidované a nevzniklé materiály, určit přítomnost oxidačních fází TiO2 (rutile, anatase) a nitridů (TiN), a vyhodnotit krystalititu a velikost krystalitů pomocí Rietveldovy kvantifikace. Studie porovnává dva komerční TiC prášky odlišné barvy (modrošedý = „blue“, černý = „black“) a demonstruje dopad oxidace na použitelnost materiálu.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika:

• Vzorky: Dva TiC prášky (blue a black) manuálně vsypané do horních vzorkových kelímků.
• Měření: Režim odrazu s použitím Cu Kα záření (λ = 1.541874 Å), doba měření 10 minut za rotace vzorku.
• Analýza: Rietveldovy refinace provedené v programu Profex.

Použitá instrumentace:

• Difraktometr: Thermo Scientific ARL X’TRA Companion X-Ray Diffractometer (benchtop).
• Goniometrie: θ/θ v Bragg–Brentano geometrii, poloměr 160 mm.
• Zdroj: 600 W X‑ray (možnosti Cu nebo Co).
• Detekce: solid‑state pixel detector s pitch 55 × 55 μm pro rychlé snímání dat.
• Optika: radiální a axiální kolimace (divergence a Sollerovy štěrbiny), variabilní beam knife pro omezení rozptylu na vzduchu.
• Chlazení a software: volitelný vodní chladič; SolstiX Pronto Instrument Control Software s jedním klikem pro Rietveld kvantifikaci a automatickou integrací výsledků do LIMS.

Hlavní výsledky a diskuse

Rietveldova kvantifikace odhalila výrazné rozdíly mezi dvěma hodnocenými prášky:

• Blue vzorek (modrošedý): 57.3 wt% TiC, 37.7 wt% rutile (TiO2), 0.9 wt% anatase (TiO2) a 4.1 wt% TiN. Refined crystallite sizes: TiC ≈ 172 nm, rutile ≈ 14 nm, anatase ≈ 8 nm, TiN ≈ 8 nm. Tento vzorek vykazuje vysoký podíl oxidů, což koresponduje s modro‑šedým zbarvením a naznačuje potřebu dalšího karbotermického redukčního zpracování před použitím v konstrukčních nebo vysokoteplotních aplikacích.
• Black vzorek (černý): 83.0 wt% TiC, 5.6 wt% rutile, 4.6 wt% anatase a 6.7 wt% TiN. Crystallite sizes: TiC ≈ 137 nm, rutile ≈ 8 nm, anatase ≈ 7 nm, TiN ≈ 8 nm. Nižší obsah oxidů a vyšší podíl TiC ukazují na materiál vhodný pro náročné aplikace bez nutnosti další redukce.

Diskuse:

• Rozdíl ve fázovém složení přímo souvisí s povrchovou oxidací TiC; i relativně malé množství rutile/ anatase ovlivní vlastnosti jako houževnatost, odolnost vůči oxidaci a tepelná vodivost.
• Rietveldova analýza z dat z ARL X’TRA Companion dovolila rozlišit rutile a anatase a kvantifikovat TiN, což je informativnější než pouhé elementární techniky (např. XRF), které nerozlišují fáze.
• Velikosti krystalitů naznačují, že blue vzorek má větší TiC krystality než black vzorek, což může souviset s rozdílnou historií zpracování (sinterování, rekrystalizace, nebo povrchové reakce).

Přínosy a praktické využití metody

Rychlá, kvantitativní fázová analýza pomocí ARL X’TRA Companion přináší následující přínosy:

• Rychlé rozhodování ve výrobě: výsledky během minut umožňují screenovat šarže prášků a identifikovat materiály vyžadující dodatečné zpracování.
• Zlepšená kontrola kvality: přesné rozlišení mezi TiC, TiO2 polymorfy a TiN vede k lepšímu posouzení vhodnosti surovin pro nástroje, povlaky nebo UHT keramiky.
• Úspora nákladů: včasné odhalení oxidovaných šarží zabrání zpracování nevhodného materiálu a sníží riziko selhání v konečných aplikacích.
• Integrace do provozu: automatizovaná Rietveld kvantifikace a přenos výsledků do LIMS zjednodušují workflow a zajišťují auditovatelné záznamy.

Budoucí trendy a možnosti využití

Potenciální směry rozvoje a rozšíření použití XRD při analýze TiC:

• In situ a operando XRD studií oxidace/karbotermické redukce pro sledování kinetiky fázových změn v reálném čase.
• Vyšší propustnost a automatizace měření pro průmyslové 100% kontroly vstupních materiálů.
• Integrované vícemetodové přístupy (XRD + Raman, XPS, SEM/EDX) pro komplexní rozbor chemie povrchu, oxidačních vrstev a morfologie částic.
• Vylepšené kvantitativní modely Rietveldu se zaměřením na mikrodeformaci, mikrostrukturní rozpětí a determinaci porozity v prášcích.
• Pokročilé detektory a zdroje pro zlepšení rozlišení, rychlosti a detekce slabých fází (např. tenké povrchové oxidy).
• Aplikace v návrhu materiálů pro hypersoniku: optimalizace TiC‑based kompozitů a povlaků s ohledem na oxidační stabilitu a tepelnou vodivost.

Závěr

Application note demonstruje, že benchtop XRD systém ARL X’TRA Companion umožňuje rychlou a spolehlivou kvantitativní analýzu TiC prášků, rozlišení oxidačních fází a detekci nitridů. Ukázalo se, že rozdílný fázový obsah výrazně ovlivňuje vhodnost materiálu pro průmyslové a letecké aplikace; silně oxidovaný (blue) prášek vyžaduje redukční úpravu, zatímco méně oxidovaný (black) je připraven pro náročné nasazení. Díky rychlosti měření, robustnosti softwaru pro Rietveldovu kvantifikaci a integraci s LIMS je metoda vhodná pro rutinní QC i pro výzkumné účely při vývoji pokročilých TiC materiálů.

Reference

1. Döbelin N., Kleeberg R., Journal of Applied Crystallography, 2015, 48, 1573-1580.
2. Thermo Fisher Scientific, Application Note AN41523: Analyzing titanium carbide ceramics: From tooling to hypersonic applications using ARL X’TRA Companion XRD, 2025.