Sférický titanový prášek

Přehled

Sférický titanový prášek je forma titanového kovového prášku, který byl zpracován tak, aby měl kulovitou morfologii. Vyznačuje se vysokou kulovitostí, hladkým povrchem, kontrolovanou distribucí velikosti částic a dobrou tekutostí.

Mezi klíčové vlastnosti a detaily sférického titanového prášku patří:

Typy

• Čistý titanový prášek
• Prášky ze slitin titanu (Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb atd.)

Výrobní metody

• Rozprašování plynu
• Plazmový proces s rotujícími elektrodami (PREP)
• Indukční atomizace tavicího plynu na elektrodách (EIGA)

Rozsah velikosti částic

• 15-45 mikronů
• 45-100 mikronů
• 106-250 mikronů

Typická použití

• Prášek pro 3D tisk
• Vstřikování kovů
• Tepelné stříkání
• Výroba titanových dílů

Klíčové vlastnosti

• Vysoká sféricita (>90%)
• Řízená distribuce velikosti částic
• Dobrá tekutost
• Vysoká čistota
• Menší povrch ve srovnání s nepravidelnými prášky

Typy Sférický titanový prášek

Existují dvě hlavní kategorie sférického titanového prášku podle složení:

Tabulka 1: Typy sférického titanového prášku

Typ	Popis
Čistý titan	99.5% titan s nízkým obsahem kyslíku a železa
Titanové slitiny	Titan v kombinaci s hliníkem + vanadem, niobem atd.

Čistý titanový prášek

Čistý sférický titanový prášek obsahuje nejméně 99,5% titanu s maximálními limity obsahu kyslíku a železa. Má nejvyšší obsah titanu ve srovnání s titanovými slitinami.

Typické složení:

• Titan: minimálně 99,5%
• Kyslík: maximálně 2000 ppm
• Železo: maximálně 3000 ppm

Nabízí vlastnosti blízké čistému kovovému titanu - vysokou pevnost, nízkou hustotu, odolnost proti korozi. Používá se v případě potřeby vysoké chemické čistoty.

Prášky ze slitin titanu

Nejběžnějšími práškovými titanovými slitinami jsou Ti-6Al-4V a Ti-6Al-7Nb s příměsí hliníku a vanadu nebo niobu. Vyrábějí se i další slitiny s prvky jako molybden, zirkonium a cín.

Výhody slitin:

• Zvýšená síla
• Vyšší teplotní odolnost
• Zvýšená odolnost proti korozi

Prášky slitin rozšiřují rozsah použití nad rámec čistých titanových prášků.

Metody výroby sférického prášku

K výrobě sférického titanového prášku s řízenou velikostí částic se komerčně používají různé techniky plynové atomizace:

Tabulka 2: Výrobní postupy pro sférický titanový prášek

Metoda	Princip	Velikost částic*
Atomizace plynu	Rozpad roztaveného proudu proudem plynu	15-106 μm
Plazmová rotační elektroda (PREP)	Odstředivá dezintegrace roztaveného kovu	15-45 μm
Elektrodová indukční atomizace plynem (EIGA)	Indukční tavení + plynová atomizace	15-250 μm

Typické rozsahy vyráběných velikostí

Plynová atomizace využívá vysokorychlostní proudy inertního plynu, jako je argon nebo dusík, k rozbití proudu roztaveného titanového kovu na jemné kapičky, které ztuhnou v prášek. Vznikají tak kulovité částice s hladkým povrchem, který je výsledkem působení povrchového napětí.

PREP a EIGA jsou varianty, které nabízejí zvýšenou kontrolu, užší distribuci velikosti a optimalizaci tvaru.

Specifikace

Sférický titanový prášek je k dispozici v různých velikostech rozdělených podle průměru částic. Mezi běžné rozsahy velikostí podle velikosti ok patří:

Tabulka 3: Specifikace velikosti částic

Klasifikace velikosti	Rozsah ok	Průměr částic
Malé	-325 ok	<45 μm
Střední	140-325 ok	45-100 μm
Velké	+100 ok	>106 μm

Další parametry používané pro specifikaci prášků:

• Sféricita: >90% udává, jak jsou částice kulovité.
• Hustota kohoutku: 2,2-3,5 g/cm3 udává hustotu balení
• Hausnerův poměr: <1,25 znamená průtočnost
• Zjevná hustota: rozsah na základě složení
• Průtok: měření hmotnostního průtoku nálevkou

Pro specifikaci prášků se používají normy ASTM B819, ASTM F3049, EN 10204/3.1.

Aplikace z Sférický titanový prášek

Řízená distribuce velikosti částic a sférická morfologie přináší určité výhody, které rozšiřují možnosti použití titanového prášku:

Tabulka 4: Typické aplikace sférického titanového prášku

Oblast	Výhody
3D tisk	Vynikající tekutost, hustota balení pro aditivní výrobu
Vstřikování kovů	Umožňuje výrobu složitých dílů ve tvaru sítě
Tepelný nástřik	Zvyšuje hustotu povlaku a účinnost nanášení
Prášková metalurgie	Usnadňuje výrobu titanových dílů, jako jsou spojovací prvky, ozubená kola.
Biomedicína	Zlepšuje vlastnosti povrchových nátěrů implantátů
Aerospace	Používá se k opravám dílů proudových motorů lisováním za tepla.

Hlavní výhodou sférického prášku je, že usnadňuje automatizovanou manipulaci s materiálem lépe než nepravidelný prášek. To umožňuje vyrábět titanové součásti téměř čistého tvaru.

Dodavatelé a ceny

Sférický kovový prášek z titanu prodávají různí přední výrobci:

Tabulka 5: Hlavní dodavatelé sférického titanového prášku

Společnost	Výrobní metody
AP&C	Rozprašování plynu
Tesařská technologie	Indukční tavení elektrod
Sandvik	Plazmová atomizace
Technika TLS	Rozprašování plynu
Tekna	Indukce plazmy

Odhad ceny:

• Čistý titan: $50-100 za kg
• Slitiny titanu: $70-150 za kg

Ceny se liší v závislosti na objednaném množství, třídě prášku, rozsahu velikosti částic a také na poptávce na trhu a ekonomice nabídky.

Výhody a nevýhody sférického titanového prášku

Tabulka 6: Srovnání výhod a nevýhod

Výhody	Nevýhody
Vynikající průtočnost pro automatizaci	Vyšší náklady než u jiných forem
Vysoká hustota balení	Omezená dostupnost velmi velkých rozměrů
Řízená distribuce velikosti částic	Vyžaduje řízenou inertní atmosféru
Možnost výroby téměř síťového tvaru	Reaktivní při vysokých teplotách
Dobré míchání s jinými prášky	Nebezpečí výbuchu prachu musí být zvládnuto
Dosahuje vlastností materiálu blížících se sypké hmotě

Zatímco sférický titanový prášek umožňuje větší flexibilitu procesů, ale vyžaduje také opatření proti vznícení nebo výbuchu. Náklady jsou vyšší než u jiných forem, např. houbových jemných částic.

Nejčastější dotazy

Jaký je typický stupeň čistoty sférického titanového prášku?

U čistého titanového prášku je minimální obsah titanu 99,5% podle norem ASTM. U slitin, jako je Ti-6Al-4V, je obsah titanu vyšší než 90% se specifickými rozsahy pro ostatní prvky.

Jaký rozsah velikostí je nejvhodnější pro aditivní výrobu?

Pro většinu procesů tavení titanového prášku v loži je ideální velikost částic v rozmezí 45-100 mikronů. Menší velikosti mají špatný průtok, zatímco větší velikosti ovlivňují rozlišení. Specifikace poskytují normy jako ASTM F3049.

Má kulový tvar vliv na vlastnosti tištěných dílů?

Ano, sférické částice mají za následek vyšší hustotu výtisků s lepší vazbou mezi částicemi, což vede k lepším mechanickým vlastnostem. Díly mohou dosáhnout vlastností bližších objemovému titanu.

Jaká je typická výrobní kapacita sférického titanového prášku?

Přední výrobci sférického titanového prášku mají v současné době kapacitu od několika set tun ročně až po více než 2000 tun ročně. Očekává se, že kapacity se budou výrazně rozšiřovat, aby odpovídaly růstu v oblasti AM kovů.

Jak se určuje cena sférického titanového prášku?

Cena závisí na složení prášku, rozsahu velikosti částic, způsobu výroby, objemu objednávky a podmínkách na trhu. Menší velikosti (<45 μm) jsou obvykle o 20-30% dražší než větší velikosti kvůli větší náročnosti zpracování a poptávce.

Závěr

Sférický titanový prášek má oproti jiným formám titanových prášků výrazné výhody, pokud jde o tekutost, hustotu balení a opakovatelnost při automatizovaném zpracování prášku. To umožňuje vyrábět součásti téměř síťového tvaru s vynikajícími vlastnostmi.

Různé techniky plynové atomizace umožňují výrobu titanových slitin a distribuci velikosti částic na míru pro výrobní metody, jako je 3D tisk kovů, které jsou založeny na technologii tavení v práškovém loži.

Navzdory vyšším cenám se výhody sférické morfologie stále více uplatňují v různých průmyslových odvětvích, aby se rozšířily aplikace titanového kovu nad rámec běžného zpracování. Pokračuje vývoj, který zlepšuje rozdělení velikosti a složení slitin, aby se dále zlepšily vlastnosti.

znát více procesů 3D tisku

Často kladené otázky (FAQ)

1) What PSD and morphology are optimal for Spherical Titanium Powder in LPBF?

• Use highly spherical 15–45 µm for fine-feature LPBF and 25–53 µm for general-purpose builds. Target low satellite fraction and Hausner ratio ≤1.25 to ensure spreadability and stable melt pools.

2) How do oxygen and nitrogen levels affect mechanical properties?

• Interstitials raise strength/hardness but reduce ductility and fatigue. For Ti-6Al-4V, keep O ≤0.15 wt% (AM-grade often ≤0.12%) and N ≤0.03 wt% to balance tensile strength with elongation and LCF/HCF performance.

3) PREP vs. EIGA vs. gas atomization—how should I choose?

• PREP: highest sphericity/cleanliness, narrow PSD, premium cost; ideal for critical aerospace/medical. EIGA: excellent cleanliness (no crucible contact), broad PSD. Gas atomization: scalable and cost-effective; cleanliness depends on process controls and gas purity.

4) Can Spherical Titanium Powder be reused without degrading part quality?

• Yes, with controls: sieve between builds; monitor O/N/H and moisture/LOD, PSD drift, and flow/tap density. Set reuse limits by application risk (e.g., 3–10 cycles) and blend with virgin powder to maintain interstitial specs.

5) What safety practices are essential when handling Spherical Titanium Powder?

• Follow NFPA 484: inert gas handling where possible, explosion-rated dust collection, grounding/bonding to prevent static, Class D extinguishers, and minimize open-air transfers. Maintain housekeeping to avoid dust accumulation.

2025 Industry Trends

• Medical-grade traceability: Wider adoption of EN 10204/3.1 certificates, full lot genealogy, and validated cleaning/packaging for implant-grade Ti-6Al-4V ELI powders.
• Ultra-clean atomization: Growth of EIGA/PREP capacities with closed-loop argon systems and inline O2/N2 analyzers to cut interstitial pickup and gas consumption.
• Fine cuts for binder jetting: Increased supply of 5–25 µm Ti and Ti-6Al-4V with deagglomeration steps and anti-caking packaging.
• Powder circularity: Buy-back and reconditioning programs with certified O/N/H restoration and PSD rebalancing to lower total cost of ownership.
• Data-rich CoAs: Routine inclusion of SEM morphology sets, raw PSD files, O/N/H trends, and exposure time logs to accelerate PPAP/FAI.

2025 Snapshot: Spherical Titanium Powder KPIs

Metric (2025e)	Typical Value/Range	Notes/Source
AM-grade PSD (LPBF)	D10 15–20 µm; D50 25–35 µm; D90 40–50 µm	ISO/ASTM 52907 context
Oxygen (Ti-6Al-4V AM-grade)	≤0.08–0.12 wt%	Supplier CoAs
Nitrogen (AM-grade)	≤0.02–0.03 wt%	Supplier CoAs
Kulovitost	≥90–95%	Analýza obrazu SEM
Zdánlivá hustota	2.3–2.9 g/cm³ (alloy/PSD dependent)	Hall/Carney methods
Typical LPBF density (as-built)	≥99.5% relative with tuned parameters	CT verification
Market price band	~$70–$200+/kg (grade/process/cut)	Industry quotes
Doba realizace	3–8 weeks stocked; 8–12 weeks MTO	Market averages

Authoritative sources:

• ISO/ASTM 52907 (AM feedstock), ASTM F3049 (powder characterization): https://www.astm.org, https://www.iso.org
• ASTM F2924 (Ti-6Al-4V AM), ASTM F3001 (ELI for AM)
• ASM Handbook, Vol. 7: Powder Metallurgy: https://www.asminternational.org
• NFPA 484 Combustible Metals: https://www.nfpa.org

Latest Research Cases

Case Study 1: Elevated-Fatigue Ti-6Al-4V via PREP Powder and Optimized Reuse (2025)

• Background: An aerospace Tier-1 required tighter fatigue scatter on LPBF brackets while reducing powder waste.
• Solution: Switched to PREP Spherical Titanium Powder (D50 ~32 µm, O 0.09 wt%); instituted reuse SOP with sieve control, O/N/H monitoring, and 20% virgin top-up per cycle; applied in-situ melt pool monitoring and HIP + aging.
• Results: Relative density 99.8%; HCF life at R=0.1 improved 18% with 40% reduction in scatter; powder cost −16% per part through controlled reuse without breaching interstitial specs.

Case Study 2: Binder-Jetted Pure Titanium Heat Exchangers (2024/2025)

• Background: A clean-energy startup needed compact, corrosion-resistant heat exchangers with complex lattices.
• Solution: Adopted 8–25 µm Spherical Titanium Powder (commercially pure, O ≤0.08 wt%); solvent debind + high-purity Ar sinter; diffusion-bonded face sheets; helium leak testing and passivation.
• Results: Leak rate ≤1×10⁻⁹ mbar·L/s; pressure drop −23% vs. machined design; unit cost −28% at 2k units/year; corrosion performance matched CP-Ti benchmarks in chloride tests.

Názory odborníků

• Prof. Iain Todd, Professor of Metallurgy and Materials Processing, University of Sheffield
• Viewpoint: “For titanium AM, controlling interstitials and PSD tails is as crucial as scan parameters—both dictate density, fatigue, and repeatability.”
• Dr. Christina Bertulli, Director of Materials Engineering, EOS
• Viewpoint: “Integrating HIP and well-defined powder reuse limits enables aerospace-grade properties without prohibitive powder costs, especially for Ti-6Al-4V.”
• Dr. Beatriz Martinez, Director of AM Powders, Sandvik Osprey
• Viewpoint: “EIGA and PREP deliver superior cleanliness by avoiding crucible contact; coupled with argon recirculation, they cut gas use while tightening O/N control.”

Practical Tools/Resources

• Standards and guides: ISO/ASTM 52907; ASTM F3049; ASTM F2924 (Ti-6Al-4V AM); ASTM F3001 (ELI); EN 10204/3.1 certification
• Metrology: Inert gas fusion (O/N/H), laser diffraction (PSD), SEM morphology, Hall/Carney flow, helium pycnometry, micro-CT for porosity
• AM process control: In-situ layer/melt pool monitoring, powder exposure logging, reuse SOPs, HIP and heat-treatment recipes for Ti alloys
• Safety/EHS: NFPA 484; OSHA combustible dust guidance; ATEX/IECEx zoning
• Design/simulation: Ansys/Simufact Additive for distortion/residual stress; JMatPro or Thermo-Calc/TC-Prisma for phase and precipitation in Ti alloys

Implementation tips:

• Specify CoA with full chemistry (including O/N/H), PSD (D10/D50/D90), sphericity/SEM images, flow/tap/apparent density, moisture/LOD, and lot genealogy.
• Match PSD to process: 15–45 µm for fine-feature LPBF; 25–53 µm general LPBF; 45–106 µm for DED; 5–25 µm for binder jetting.
• Establish reuse limits per application; track O/N/H and PSD drift; blend with virgin and maintain SPC on density and mechanicals.
• Use HIP for fatigue/leak-critical parts; verify via CT, microhardness mapping, and relevant fatigue/corrosion tests before production release.

Last updated: 2025-10-13
Changelog: Added 5-question FAQ, 2025 KPI table for Spherical Titanium Powder, two case studies (LPBF aerospace brackets and binder-jetted heat exchangers), expert viewpoints, and practical tools/resources with implementation tips
Next review date & triggers: 2026-04-20 or earlier if ISO/ASTM standards update, major supplier CoA practices change, or new data on Ti powder reuse and interstitial control is published