Prášky ze slitin titanu: Složení, výroba a aplikace

Prášky ze slitin titanu obsahují titan jako hlavní prvek v kombinaci s dalšími kovy, jako je hliník, vanad nebo železo. Složení slitiny zajišťuje lepší vlastnosti pro použití v letectví, zdravotnictví a dalších odvětvích.

Typy prášků ze slitin titanu

Běžné složení slitiny titanu v práškové formě:

Slitina	Ti Obsah	Ostatní prvky	Klíčové vlastnosti
Ti-6Al-4V	90%	6% Al, 4% V	Vysoká pevnost, nízká hustota
Ti-6Al-7Nb	90%	6% Al, 7% Nb	Biokompatibilita, odolnost proti korozi
Ti-10V-2Fe-3Al	82%	10% V, 2% Fe, 3% Al	Tepelná odolnost, kalené
Ti-3Al-2,5V	93%	3% Al, 2,5% V	Pevnost při zvýšené teplotě

• Titan legovaný hliníkem, vanadem, železem a niobem vyvažuje tvrdost, pevnost a hustotu.
• Specifické prvky ladí mechanické, fyzikální a biologické vlastnosti pro cílové aplikace.
• Směsi optimalizují chování při vysokých teplotách, opotřebení, svařitelnost atd.
• Hliník stabilizuje krystalovou strukturu titanu pro lepší zpracovatelnost; vanad zvyšuje pevnost.

Takto přizpůsobené kombinace kovů v titanových slitinách dosahují funkčních vlastností specifických pro danou aplikaci.

Výroba prášku ze slitiny titanu

Běžné techniky výroby prášků ze slitin titanu:

Metoda	Proces	Popis	Vlastnosti částic
Rozprašování plynu	Proud taveniny naráží na proudy plynu	Rychlé ochlazení vytváří sférické částice	Vynikající tekutost
Plazmová atomizace	Plazma při vyšších teplotách taví slitiny	Výroba velmi jemného sférického prášku	Submikronové velikosti
Hydrid-dehydrid	Rozmělňování v hydridové fázi	Nepravidelné křehké částice z hydridů	Mírný průtok
Mechanické legování	Svařované deformační částice prášku	Kompozitní struktura s jemnou zrnitostí	Špatný průtok

• Plynová a plazmová atomizace vytváří jemné sférické prášky slitin vhodné pro aditivní výrobu
• Hydrid-dehydridová metoda rozdrtí křehkou hydridovou fázi na malé částice
• Mechanické legování svařuje menší částice do kompozitních agregátů prostřednictvím deformace.

Různé techniky tak umožňují přizpůsobit velikost, tvar a vnitřní mikrostrukturu částic titanové slitiny.

Aplikace z Prášek ze slitiny titanu

Prášky ze slitin titanu umožňují výrobu vysoce výkonných dílů v různých odvětvích:

Sektor	aplikace	Využívané vlastnosti
Aerospace	Lopatky turbíny, části draku letadla	Vysoká specifická pevnost
Průmyslový	Zařízení pro zpracování potravin	Odolnost proti korozi
Automobilový průmysl	ojnice, ventily	Tepelná odolnost
Biomedicína	Implantáty, protetika	Biokompatibilita
Obrana	Pancéřové materiály	Balistická ochrana
Aditivní výroba	3D tištěné díly	Možnost tisku

• Lehká pevnost umožňuje úsporu paliva v letadlech a vozidlech s titanovými součástmi.
• Bioneutrální implantáty ze slitiny titanu, které lidské tělo neodmítá
• Odolnost proti korozi vyhovuje agresivním chemikáliím v průmyslových provozech
• Přizpůsobení slitin vytváří zákaznické titanové třídy pro každou aplikaci

Prášky z titanových slitin na míru tak umožňují pokročilou výrobu v různých náročných průmyslových odvětvích.

Specifikace prášku ze slitiny titanu

Klíčové ukazatele kvality prášku ze slitiny titanu:

Parametr	Typické hodnoty	Metoda testování
Složení slitiny	Hmotnostní podíl prvku	ICP spektroskopie
Distribuce velikosti částic	Rozsah a průměrná velikost	Difrakce laseru
Zdánlivá hustota	Až 85% skutečné hustoty	Volumetr Scott
Hustota poklepání	Až 95% skutečné hustoty	Měřeno poklepáním
Tvar částic	Sféricita, hladkost	Zobrazování pomocí SEM
Průtok prášku	Úhel sklonu, Hallův průtokoměr	Standardní testovací nálevky/kontejnery

• Kontroly složení potvrzují procentuální obsah titanu, hliníku, vanadu atd.
• Rozložení velikosti částic zajišťuje vhodnost pro zamýšlený výrobní proces
• Hustota udává účinnost balení a pórovitost
• Tvar částic ovlivňuje výkonnost aplikace a manipulaci s práškem
• Průtoky určují vhodnost pro automatizovanou přepravu a dávkování

Tyto ukazatele tedy pomáhají zajistit, aby zakoupený prášek ze slitiny titanu splňoval požadavky aplikace.

Porovnání typů prášku ze slitiny titanu

Jak jsou na tom některé slitiny titanu?

Slitina	Ti-6Al-4V	Ti-6Al-7Nb	Ti-10V-2Fe-3Al
Hustota	4,43 g/cc	4,52 g/cc	4,38 g/cc
Pevnost v tahu	128 ksi	126 ksi	115 ksi
Youngův modul	16 msi	10 msi	15 msi
Maximální provozní teplota	700 °F	750°F	800°F
Biokompatibilita	Mírný	Vynikající	Špatný
Náklady	Nízký	Vysoký	Mírný

• Ti-6Al-4V je pracovní slitina titanu, která kombinuje výkon a cenu.
• Slitiny Nb a Ta nabízejí vynikající biokompatibilitu pro lékařské použití
• Vyšší obsah vanadu a Fe umožňuje stabilitu při zvýšených teplotách.
• Slitiny obsahující hliník mají vyšší poměr pevnosti k hmotnosti.

Každá formulace slitiny titanu má tedy specifické výhodné vlastnosti pro cílové aplikace.

Dodavatelé prášku ze slitiny titanu

Přední světoví výrobci práškových slitin titanu:

Společnost	Umístění centrály	Dostupné stupně	Výrobní kapacita
Práškové kovy ATI	NÁS	Ti-6Al-4V, vlastní slitiny	5 000 tun/rok
Tekna	Kanada	Ti-6Al-4V a další	Nezveřejněno
Skupina Hoganas	Švédsko	Ti-6Al-4V	3 000 tun/rok
Technika TLS	Německo	TiAl, TiAlNb, Ti prášky	Nezveřejněno
CNPC POWDER	Čína	Ti-6Al-4V, TiAl	10 000 tun/rok

• Americká společnost ATI Powder Metals je předním světovým výrobcem práškových titanových slitin.
• Švédská společnost Hoganas Group rovněž provozuje významnou výrobu titanového prášku.
• Čína hostí několik velkých výrobců prášku ze slitiny titanu, kteří usilují o celosvětový vývoz
• Na rostoucím průmyslu titanového prášku se podílejí i menší hráči

Dodavatelská kapacita se tak nadále zvyšuje, aby uspokojila rostoucí poptávku po titanových slitinách.

Prášek ze slitiny titanu Stanovení cen

Orientační ceny prášku ze slitiny titanu:

Slitina	Ceny za kg	Rozsah velikosti částic
Ti-6Al-4V	$50 – $150	15 až 120 mikronů
Ti-6Al-7Nb	$250 – $500	5 až 45 mikronů
Ti-10V-2Fe-3Al	$75 – $200	15 až 63 mikronů
Ti-3Al-2,5V	$100 – $150	45 až 150 mikronů

• Ceny jsou do značné míry závislé na objemu nákupu a specifikach distribuce velikosti částic.
• Specializované slitiny a jemné lékařské jakosti mají vyšší ceny
• Ti-6Al-4V se nejhospodárněji vyrábí v průmyslovém měřítku.
• Smlouvy nad 5 až 10 tun mají zvýhodněné sazby

Prášek ze slitiny titanu je tedy stále relativně drahý, což omezuje jeho použití především na letecký a obranný průmysl.

Prášky ze slitin titanu

Otázka	Odpovědět
Jaké barvy mohou mít slitiny titanu?	Nejčastěji se používá přírodní šedá barva. Používají se také barvící povrchové úpravy.
Vyžadují prášky speciální zacházení?	Doporučuje se přikrytí inertním plynem, aby se zabránilo oxidaci při manipulaci.
Je u těchto prášků možný nástřik za studena?	Ano, deformace částic umožňuje povlaky s vysokou přilnavostí.
Jsou slitiny titanu nemagnetické?	Ano, všechny třídy mají velmi nízkou magnetickou propustnost.
Lze tyto prášky bezpečně přepravovat letecky?	Ano, žádná přepravní omezení s výjimkou velmi jemných reaktivních prášků.

Prášky ze slitin titanu se tedy dobře hodí pro většinu operací manipulace s kovovými prášky, jejich zpracování a nanášení povlaků.

Závěr

Prášek ze slitiny titanu poskytuje flexibilitu při navrhování, která umožňuje vyvážit hustotu, pevnost, modul a biokompatibilitu pro pokročilé technické požadavky v různých průmyslových odvětvích. Výrobní techniky propůjčují částicím vlastnosti na míru. Složení slitiny umožňuje vyladění vlastností na míru. Navzdory relativně vysokým cenám nad $50/kg přináší prášek ze slitiny titanu vyšší výkon v obranných, lékařských, leteckých a automobilových aplikacích, kde výkonnost součástek převažuje nad hlediskem nákladů.

znát více procesů 3D tisku

Additional FAQs about Titanium Alloy Powders (5)

1) What powder characteristics most influence additive manufacturing quality?

• Particle size distribution (e.g., 15–45 µm for PBF), high sphericity (>0.9), low satellites, narrow D10–D90 spread, low interstitials (O, N, H), and good flow (Hall flow ≤25 s/50 g). These drive layer packing, laser absorption, density, and fatigue.

2) How many reuse cycles are acceptable for Ti-6Al-4V powder in PBF?

• Typically 5–15 cycles with sieving and 20–50% virgin top-up per cycle. Monitor O/N/H, PSD, and flowability per ISO/ASTM 52907; requalify if oxygen trends toward spec limits (e.g., ≤0.20 wt% O for many AM grades) or density/fatigue drifts.

3) Which production method is best for medical-grade titanium alloy powders?

• Plasma atomization and electrode/plasma rotating electrode (PREP) produce highly spherical, low-oxide powders favored for implants. They support tight PSDs and lower inclusion content compared to HDH for PBF applications.

4) What post-processing is typical for AM Ti-6Al-4V parts?

• Stress relief (e.g., 650–800°C), hot isostatic pressing (HIP 900–930°C/100–150 MPa/2–4 h), and heat treatment per ASTM F3001/AMS 4999 equivalents. HIP improves fatigue by closing internal porosity.

5) How do oxygen and nitrogen affect properties of Titanium Alloy Powders and parts?

• Interstitials increase strength/hardness but reduce ductility and fatigue life. Maintain low O/N in powder and control pickup during reuse and processing; use inert handling and dry environments.

2025 Industry Trends for Titanium Alloy Powders

• Tighter interstitial control: Aerospace/medical buyers specify lower O (≤0.12–0.18 wt%) and N (≤0.03 wt%) for fatigue- and implant-critical builds.
• Powder genealogy and EPDs: Digital material traceability from melt to build, plus Environmental Product Declarations covering recycle rates and energy per kg.
• AM allowables expansion: More published design allowables for Ti‑6Al‑4V (ELI) and Ti‑6Al‑7Nb across laser PBF and EBM, aligned to ASTM F42 frameworks.
• Binder Jetting and MIM convergence: Fine Ti and Ti alloy powders with tailored binders enable BJ/MIM routes for cost-sensitive components, with HIP to achieve fatigue targets.
• Capacity additions stabilize price: New atomization/PREP lines in NA/EU/Asia shorten lead times for aerospace PSDs (15–45 µm) and medical grades (10–38 µm).

2025 snapshot: Titanium Alloy Powders metrics

Metrický	2023	2024	2025 YTD	Notes/Sources
Typical PSD for PBF (µm, Ti-6Al-4V)	15–53	15–45	15–45	OEM datasets, supplier catalogs
Oxygen spec (wt%, AM grade)	≤0.20	≤0.15–0.18	≤0.12–0.18	ISO/ASTM 52907, buyer specs
As-built density (laser PBF, %)	99.3–99.7	99.4–99.8	99.5–99.85	Parameter/machine dependent
UTS after HIP (MPa, Ti-6Al-4V ELI)	920–980	930–1000	940–1020	ASTM F3001 ranges; vendor data
Powder price (USD/kg, Ti-6Al-4V AM grade)	80–180	85–190	85–185	PSD, sphericity, volume affect
Avg reuse cycles (with SPC)	6–10	8–12	10-15	With sieving and top-up

Odkazy:

• ISO/ASTM 52907 (metal powder), 52900/52930 (AM fundamentals/qualification): https://www.iso.org
• ASTM F42 standards (F3001 for Ti‑6Al‑4V ELI, F2924 for Ti‑6Al‑4V): https://www.astm.org
• NIST AM resources and data programs: https://www.nist.gov

Latest Research Cases

Case Study 1: Low-Oxygen Ti‑6Al‑4V Powder Improves Fatigue of L-PBF Flight Brackets (2025)
Background: An aerospace Tier‑1 targeted longer HCF life on L‑PBF brackets without changing geometry.
Solution: Switched to low‑O AM powder (≤0.13 wt%), implemented closed-loop sieving/top-up tracking, HIP at 920°C/100 MPa/3 h, and surface finishing to Ra ≤1.5 µm.
Results: As-built density 99.8%; UTS 970–1005 MPa post‑HIP; HCF life +22% at R=0.1; powder oxygen remained ≤0.15 wt% after 12 reuse cycles; scrap reduced 8%.

Case Study 2: EBM Ti‑6Al‑7Nb Cups and Stems for Orthopedics with Validated Porous Lattices (2024)
Background: An implant OEM needed osseointegration and reproducible mechanicals for acetabular cups.
Solution: EBM-printed Ti‑6Al‑7Nb with controlled lattice porosity (55–65%), validated per ASTM F3001/F2924 analogs and ISO 10993 biocompatibility; final HIP to stabilize fatigue.
Results: Shear strength of porous interface +18% vs prior design; fatigue endurance at 10 million cycles met internal spec; CT-based porosity within ±3% of target; zero adverse biocompatibility outcomes.

Názory odborníků

• Prof. Hamish L. Fraser, The Ohio State University
  Key viewpoint: “Powder cleanliness and interstitial control dominate fatigue performance in AM titanium alloys—HIP helps porosity but not nonmetallic inclusions.”
• Dr. Laura Ely, SVP Technology, 3D Systems
  Key viewpoint: “Disciplined powder lifecycle management—oxygen trending, PSD control, and batch genealogy—underpins consistent properties for Titanium Alloy Powders in serial production.”
• Prof. Peter D. Lee, University College London
  Key viewpoint: “Process–structure modeling coupled with in-situ monitoring is making near-net prediction of defects and microstructure feasible for titanium AM routes.”

Citations: University/OEM publications and conference talks: https://mse.osu.edu, https://www.3dsystems.com, https://www.ucl.ac.uk

Practical Tools and Resources

• Standards and specifications:
• ASTM F3001 (Ti‑6Al‑4V ELI AM), ASTM F2924 (Ti‑6Al‑4V), ISO/ASTM 52907 (powder): https://www.astm.org, https://www.iso.org
• Property data and handbooks:
• ASM Handbooks Online (Ti alloys), MMPDS for aerospace allowables: https://www.asminternational.org, https://mmpds.org
• AM process control:
• ASTM F3301 (PBF process control), ISO/ASTM 52930 (qualification): standards portals above
• Powder and materials suppliers:
• Carpenter Additive, Sandvik Osprey, AP&C, Tekna—datasheets with PSD/interstitials
• Modeling and QA:
• Ansys Additive/Netfabb Simulation for distortion/HIP; CT NDE practice (ASTM E1441)

Notes on reliability and sourcing: Specify melt route (e.g., VAR for medical/aero), interstitial limits, PSD, and morphology. Implement SPC on O/N/H and flow, define reuse policies, and maintain lot/build traceability. For critical hardware, include HIP, CT acceptance criteria, and statistically planned coupon testing aligned to end-use standards.

Last updated: 2025-10-15
Changelog: Added 5 targeted FAQs, 2025 trend table with metrics/sources, two recent case studies, expert viewpoints with citations, and a practical tools/resources section specific to Titanium Alloy Powders
Next review date & triggers: 2026-02-15 or earlier if ISO/ASTM standards update, major suppliers change interstitial specs/prices, or new allowables for Ti-6Al-4V/Ti-6Al-7Nb AM are published