Titanový prášek pro aditivní výrobu

Titanový prášek je kritický materiál pro tisk vysoce pevných, lehkých titanových součástí pomocí technik aditivní výroby, jako je selektivní laserové tavení (SLM) a tavení elektronovým paprskem (EBM). Tato příručka poskytuje komplexní přehled titanových prášků pro AM.

Úvod do titanového prášku pro AM

Titanový prášek umožňuje 3D tisk titanových dílů s výjimečnými vlastnostmi:

• Vysoký poměr pevnosti a hmotnosti
• Vynikající odolnost proti korozi
• Dobré vysokoteplotní vlastnosti
• Biokompatibilita pro lékařské použití
• Reaktivní a vyžaduje řízené zpracování

Běžné titanové slitiny pro AM:

• Ti-6Al-4V (Ti64)
• Ti-6Al-7Nb (Ti647)
• Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr (Ti5553)
• Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6-2-4-2)

Klíčové charakteristiky prášku:

• Chemie a mikrostruktura
• Velikost a distribuce částic
• Tvar a morfologie částic
• Čistota
• Tekutost a zdánlivá hustota

Prášek Ti-6Al-4V

Ti-6Al-4V je nejběžnější prášková slitina titanu používaná v AM:

• Poskytuje vynikající kombinaci pevnosti, tažnosti a odolnosti proti korozi
• Pevnost může dosáhnout 1300 MPa a více pro díly AM
• Taje kolem 1600 °C a vyžaduje tepelné řízení během tisku
• Citlivý na absorpci kyslíku – vyžaduje řízenou atmosféru

Aplikace:

• Letecké a automobilové komponenty
• Biomedicínské implantáty, jako jsou náhrady kolen a kyčlí
• Díly pro potravinářský a chemický průmysl
• Spotřební zboží

Dodavatelé: AP&C, Tekna, Carpenter Additive, Arcam AB

Prášek Ti-6Al-7Nb

Prášek Ti-6Al-7Nb poskytuje vynikající pevnost v tahu a odolnost proti tečení:

• Vysoká pevnost až 1500 MPa z precipitačního vytvrzování
• Dobrá svařitelnost
• Používá se jako alternativa k toxickým vanadovým slitinám
• Vyžaduje horké izostatické lisování (HIP) pro minimalizaci dutin

Aplikace:

• Letecké komponenty, jako jsou draky a turbíny
• Díly pro motorsport vystavené vysokému namáhání
• Zubní implantáty a lékařské protézy
• Námořní aplikace, jako jsou lodě a vrtule

Dodavatelé: AP&C, TLS Technik GmbH, Tekna

Prášek Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr

Prášek Ti-5-5-5-3 nabízí vynikající kalitelnost a hluboké kalení:

• Úrovně pevnosti přesahují 1400 MPa
• Zachovává si vlastnosti při teplotě nad 350 °C
• Používá se pro obtížně obrobitelné titanové díly
• Poskytuje vysokou odolnost proti únavě a pevnost v tečení

Aplikace:

• Podvozky letadel a konstrukční díly
• Komponenty motorů a podvozků Formule 1
• Disky turbínových motorů a díly kompresorů
• Letecké spojovací prvky a hardware

Dodavatelé: AP&C, Carpenter Additive, Arcam AB

Prášek Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo

Prášek Ti-6-2-4-2 poskytuje vynikající odolnost proti erozi horkým plynem:

• Odolává oxidaci a korozi až do 600 °C
• Vynikající pevnost až 1300 MPa
• Používá se pro díly vystavené plynům o vysoké teplotě
• Vyžaduje horké izostatické lisování pro dosažení plné hustoty

Aplikace:

• Lopaty a lopatky leteckých motorů
• Trysky raketových motorů
• Komponenty raket vystavené proudům horkého plynu
• Komponenty jaderných reaktorů

Dodavatelé: AP&C, Tekna, Sandvik Osprey

Titan třídy 1 a třídy 2

Nelegované třídy 1 a 2 titanové prášky poskytují vynikající odolnost proti korozi:

• Vysoká čistota s nízkými intersticiálními prvky
• Vynikající biokompatibilita
• Nízká pevnost ve srovnání se slitinami; asi 380 MPa
• Používá se pro chemické, námořní a spotřebitelské aplikace

Aplikace:

• Biomedicínské implantáty, jako jsou lebeční desky
• Nádoby a trubky chemických reaktorů
• Námořní komponenty, jako jsou hřídele vrtulí
• Zařízení pro zpracování potravin

Dodavatelé: AP&C, TLS Technik, Tekna Plasma Systems

Titanové aluminidové prášky

Titanové aluminidové slitiny jako Ti4522 tisknou lehké komponenty:

• Nízká hustota – 3,7 g/cm3
• Pevnost až 1000 MPa
• Vynikající odolnost proti korozi
• Vysokote
• Náročné na zpracování kvůli rychlému chlazení a tuhnutí

Aplikace:

• Díly pro letecké kompresory
• Kola automobilových turbodmychadel
• Vložky spalovací komory
• Konstrukce raket a letadel

Dodavatelé: Kennametal, AP&C, Sandvik

Metody výroby titanového prášku

1. Atomizace plynu

• Inertní plyn používaný k rozprašování roztaveného kovu na jemné kapičky
• Sférické prášky ideální pro AM, 10-100 mikronů
• Vysoká čistota, může být drahé

2. Plazmová atomizace

• Používá plazmový plyn k rozprašování roztaveného kovu
• Řízené tvary a velikosti částic
• Nižší odběr kyslíku než při rozprašování plynu

3. Hydrid-dehydrid (HDH)

• Drcený hydrid titanu se dehydratuje
• Nepravidelné tvary, velké velikosti částic
• Nižší náklady, může mít vyšší nečistoty

Technické specifikace

Typické titanový prášek specifikace pro AM:

Parametr	Specifikace	Zkušební metoda
Velikost částic	10 - 45 mikronů	ASTM B214
Zdánlivá hustota	2,2 – 4,5 g/cm3	ASTM B212
Hustota poklepání	3,5 – 5,5 g/cm3	ASTM B527
Průtoková rychlost	25 - 35 s/50 g	ASTM B213
Obsah kyslíku	< 0,20 %	Fúze inertních plynů
Obsah dusíku	< 0,05%	Fúze inertních plynů
Obsah vodíku	< 0,015 %	Fúze inertních plynů
Morfologie	Sféroidní	Zobrazování pomocí SEM

Kontrola distribuce velikosti částic, tvaru, chemického složení a hustoty je zásadní.

Manipulace s titanovým práškem a jeho skladování

Je nutná speciální manipulace, aby se zabránilo oxidaci a absorpci vlhkosti:

• Používejte nádoby a transferové nádoby z nerezové oceli
• S práškem manipulujte pouze v inertních plynových boxech
• Používejte atmosféru vysoce čistého argonu
• Vyvarujte se přímého kontaktu se vzduchem a vodou
• Uzemněte veškeré zařízení pro manipulaci s materiálem
• Udržujte skladovací teploty od -10 °C do 30 °C
• Zmrazte práškové lože, když je tiskárna nečinná, aby se zabránilo absorpci kyslíku

Správné skladování výrazně prodlužuje životnost titanového prášku.

Prosévání prášku

Prosévání se používá k získání konzistentní distribuce velikosti částic:

Výhody

• Rozbíjí aglomeráty
• Odstraňuje satelitní částice
• Snižuje pravděpodobnost defektů
• Zlepšuje tok prášku a balení

Postup

• Prosejte prášek přes jemné síto kolem 20 mikronů
• Použijte rotační nebo vibrační prosévání
• Provádějte pod inertním krycím plynem
• Zaznamenejte zbývající procento hmotnosti prášku

Vysoce kvalitní výchozí prášek v kombinaci s proséváním minimalizuje defekty konečných dílů.

Dodavatelé a ceny

Dodavatel	Známky	Cenové rozpětí
AP&C	Ti64, Ti64 ELI, Ti5553	150 – 450 USD/kg
Přísada pro tesaře	Ti64, Ti5553, Ti64 ELI	200 – 500 USD/kg
Technika TLS	Ti64, Ti4522, Ti54M	250 – 600 USD/kg
Tekna	Ti64, Ti64 ELI, Ti45Nb	180 – 480 USD/kg

• Prášky z nelegované oceli Grade 1 a Grade 2 stojí ~150-250 USD/kg
• Ti-6Al-4V a Ti-6Al-7Nb stojí ~250-450 USD/kg
• Speciální slitiny stojí 500-650 USD/kg

Ceny závisí na objemu objednávky, úrovni kvality, mikrostruktuře a morfologii.

Instalace a uvedení tiskárny do provozu

Instalace titanové AM tiskárny vyžaduje:

• Důkladné čištění a kontrolu těsnosti
• Kontrolu čistoty argonových systémů
• Nakládání a testování systému pro manipulaci s práškem
• Kalibraci a vyrovnání stavební desky
• Integraci chladiče, přívodu plynu, prosévací stanice
• Programování parametrů procesu
• Tisk zkušebních dílů pro ověření kvality

Dodavatelé poskytují podporu při instalaci, aby se zajistilo ideální nastavení stroje.

Osvědčené postupy pro tisk

Provoz tiskárny:

• Udržujte vysoké úrovně čistoty argonu
• Pečlivé sledování tavné lázně a tepelného chování
• Validace všech kritických rozměrů
• Pravidelná výměna filtrů a spotřebního materiálu
• Sledování prášku pro úrovně opětovného použití

Bezpečnost personálu:

• Používejte OOP, jako jsou respirátory, při manipulaci s práškem
• Vyvarujte se kontaktu s jemným titanovým práškem
• Správná likvidace použitého titanového prášku

Dodatečné zpracování dílů:

• Opatrně odstraňte podpěry z jemných dílů
• Tepelné zpracování přizpůsobené slitině a aplikaci
• Horké izostatické lisování pro zlepšení hustoty
• CNC obrábění a dokončovací kroky, pokud jsou vyžadovány

Dodržování postupů doporučených dodavatelem je zásadní pro dosažení bezvadně vytištěných dílů z titanových slitin.

Údržba a kontrola

Požadované pravidelné úkony údržby:

Denně:

• Zkontrolujte optiku, zda není poškozená a zda na ní nejsou usazeniny
• Sledujte hladinu argonu a senzory kyslíku
• Zkontrolujte těsnění a senzory systému pro manipulaci s práškem
• Vyčistěte stavební komoru a prosejte zbytky prášku

Týdně:

• Kalibrujte přístroje a senzory
• Namažte a zkontrolujte pohyblivé části
• Zkontrolujte elektrické svorky a uzemnění

Měsíčně:

• Proveďte testy těsnosti argonového systému
• Zkontrolujte bezpečnostní zařízení a alarmy
• Zkontrolujte stav filtru a v případě potřeby jej vyměňte
• Sledujte celkový stav systému

Ročně:

• Naplánujte preventivní údržbu
• Vyměňte spotřební materiál a optiku
• Kontrola hardwaru a modernizace

Proaktivní údržba zlepšuje spolehlivost a životnost zařízení.

Výběr titanového tiskového systému

Klíčová kritéria pro výběr titanového 3D tiskového systému:

1. Požadavky na výrobu

• Druhy dílů, které se mají vyrábět
• Stupeň materiálu na základě požadovaných vlastností
• Požadované objemy výroby
• Potřeby přesnosti a povrchové úpravy

2. Specifikace tiskárny

• Podporované a optimalizované slitiny
• Rychlost stavění, přesnost a opakovatelnost
• Řízení a zadržování inertního plynu
• Funkce automatizace
• Velikost a kapacita

3. Systém pro manipulaci s práškem

• Integrovaný nebo samostatný
• Možnosti prosévání, skladování a opětovného použití
• Sledování kyslíku a vlhkosti
• Snadnost obsluhy a zadržování

4. Soulad s normami

• Průmyslové normy jako ASTM F2924
• Certifikace kvality výrobce
• Soulad s CE, FCC

5. Povinné údaje dodavatele

• Specializované odborné znalosti v oblasti titanové AM
• Místní podpora aplikačního inženýrství
• Nabízené školení obsluhy
• Smlouvy o údržbě a servisu

Vyhodnocení možností na základě těchto faktorů zajišťuje výběr ideálního systému aditivní výroby titanu, který splňuje výrobní potřeby.

Výhody a nevýhody titanu AM

Výhody

• Vynikající poměr pevnosti a hmotnosti
• Odolnost proti korozi, biokompatibilita
• Snížené díly, vylepšený výkon
• Rychlá realizace složitých geometrií
• Přizpůsobené návrhy a sériová výroba
• Snižuje odpad ve srovnání s obráběním
• Konsoliduje sestavy do jednoho dílu

Nevýhody

• Vysoké náklady na materiál a stroj
• Další kroky dodatečného zpracování
• Omezení maximální velikosti dílu
• Kontrola vnitřních defektů může být náročná
• Vlastnosti materiálu se mohou lišit oproti tvářenému materiálu
• Požadované specializované odborné znalosti

Odstraňování problémů s titanovou AM

Vydání	Možné příčiny	Nápravná opatření
Pórovitost	Nízká čistota argonové atmosféry	Zajistěte hladinu argonu nad 99,99 % čistoty
	Špatná kvalita prášku	Používejte vysoce kvalitní prášek v kombinaci s proséváním
	Nesprávné parametry procesu	Optimalizujte parametry, jako je výkon, rychlost, rozteč čar
Cracking	Vysoká zbytková napětí	Optimalizujte tepelné řízení, použijte předehřev
	Křehká mikrostruktura	Upravte strategii skenování, použijte HIP
	Kontaminace	Zlepšete manipulaci s práškem, zajistěte vysokou čistotu argonu
Povrchová úprava	Špatná kontrola tavné lázně	Upravte posuny zaostření, tloušťku vrstvy, výkon
	Kontaminovaný prášek	Použijte čerstvý prosevaný titanový prášek
Zkreslení	Nerovnoměrné zahřívání	Optimalizujte vzory skenování, použijte podpůrné struktury

Nejčastější dotazy

Otázka: Jak se bezpečně manipuluje s reaktivním titanovým práškem?

Odpověď: Používáním inertních plynových boxů a násypek, vyhýbáním se kontaktu se vzduchem a udržováním správné hladiny argonu během tisku.

Otázka: Jaká velikost částic se používá pro titanový AM prášek?

Odpověď: Obvykle 10-45 mikronů, s užší kontrolou kolem distribuce 20-45 mikronů.

Otázka: Jaké metody dodatečného zpracování se používají?

Odpověď: Odstranění podpěr, tepelné zpracování, horké izostatické lisování a dokončovací obrábění/leštění.

Otázka: Jaké kontaminanty ovlivňují opětovné použití titanového prášku?

Odpověď: Kyslík, dusík, vodík a absorpce uhlíku snižují životnost opětovného použití. Jsou vyžadovány přísné postupy manipulace.

Otázka: Kolikrát lze titanový prášek znovu použít?

Odpověď: Obvykle 20-100 tisků v závislosti na slitině, manipulaci a skladování. Titan Grade 23 nabízí lepší opětovné použití než Grade 5.

Otázka: Jaká teplota se používá pro tepelné zpracování titanových AM dílů?

Odpověď: Roztokové zpracování se provádí při teplotě 50-100 °C pod teplotou beta transus, následované stárnutím a chlazením vzduchem/pecí.

Otázka: Jaké normy platí pro titanový AM prášek?

Odpověď: ASTM B801, ASTM F2924, ASTM F3001, ISO 23304 (ve vývoji).

Otázka: Proč se používá horké izostatické lisování?

Odpověď: HIP pomáhá uzavřít vnitřní dutiny a dosáhnout vyšší hustoty a zlepšených mechanických vlastností.

Závěr

Titanový prášek umožňuje tisk vysoce pevných, lehkých titanových komponent pro pokročilé letecké, lékařské, automobilové a průmyslové aplikace pomocí AM technik, jako jsou SLM a EBM. Díky vlastnostem, které jsou lepší než u konvenčního titanu, lze složité geometrie vyrábět rychle a efektivně. Pro dosažení bezvadných výsledků jsou však nezbytné manipulace s reaktivním práškem, řízené parametry procesu, vyškolení operátoři a postupy kvalifikace dílů. Jak se odborné znalosti dále rozvíjejí, AM s použitím titanového prášku poskytuje bezprecedentní možnosti výroby přizpůsobených, vysoce výkonných titanových dílů se zkrácenými dodacími lhůtami.

znát více procesů 3D tisku