Prášek ze slitiny titanu: Vlastnosti, výroba a aplikace

Prášky ze slitin titanu jsou moderní technické materiály ceněné pro svůj vysoký poměr pevnosti a hmotnosti, odolnost proti korozi a biokompatibilitu. Tento článek poskytuje přehled o práškové metalurgii slitin titanu, výrobních metodách, složení, mechanických vlastnostech, použití v různých průmyslových odvětvích a o dodavatelích.

Přehled prášku ze slitiny titanu

Prášek ze slitiny titanu se skládá z titanu smíchaného s dalšími kovovými prvky, jako je hliník, vanad, železo a molybden. Prášky se vyrábějí plynovou atomizací a dalšími metodami do jemných sférických částic.

Tyto pokročilé prášky se používají k výrobě vysoce výkonných součástí pomocí technik práškové metalurgie, jako je vstřikování kovů, aditivní výroba a izostatické lisování za tepla. Součásti vyrobené z práškových slitin titanu vykazují lepší mechanické vlastnosti než součásti vyrobené z nelegovaného titanu.

Díky jedinečným vlastnostem, jako je vysoká pevnost, nízká hustota, odolnost proti korozi a biokompatibilita, jsou práškové slitiny titanu vhodné pro použití v letectví, zdravotnictví, automobilovém průmyslu, chemickém průmyslu a spotřebním průmyslu.

Výhody prášku ze slitiny titanu:

• Vysoký poměr pevnosti a hmotnosti
• Vynikající odolnost proti korozi
• Bioinertní a biokompatibilní
• Možnost přizpůsobení vlastností pomocí kompozic
• Možnost výroby síťového tvaru na součásti
• Úspora nákladů díky práškové metalurgii

Problémy s práškem ze slitiny titanu:

• Vysoké náklady na materiál
• Problémy s reaktivitou při manipulaci a zpracování
• Omezení dosažitelných vlastností
• Požadavek na řízené atmosféry
• Nižší tažnost než u konkurenčních slitin

Složení Prášek ze slitiny titanu

Slitiny titanu se dělí do kategorií alfa, alfa-beta a beta podle mikrostruktury, kterou vytvářejí po zpracování. Mikrostrukturní fáze určují legující prvky, jejich koncentrace a tepelně-mechanické zpracování.

Běžné legující prvky v prášku ze slitiny titanu:

• hliník (Al)
• Vanad (V)
• železo (Fe)
• molybden (Mo)
• Cín (Sn)
• zirkonium (Zr)
• niob (Nb)

Vliv legujících prvků:

• Hliník (Al) - zvyšuje pevnost a snižuje hustotu
• Vanad (V) - posiluje alfa a beta fáze
• Železo (Fe) - zvyšuje pevnost a tažnost
• Molybden (Mo) - zpevňuje slitinu až do 500 °C
• Cín (Sn) - zvyšuje odolnost proti tečení
• Zirkonium (Zr) - zjemnění zrn
• Niob (Nb) - zabraňuje tvorbě alfa pouzdra

Běžné složení prášku ze slitiny titanu:

Vliv složení na vlastnosti:

• Zvyšující se obsah Al zvyšuje pevnost v tahu a snižuje hustotu
• Přídavek V, Mo, Cr zvyšuje pevnost při vysokých teplotách
• Přídavek Fe zvyšuje pevnost v tahu při pokojové teplotě
• Sn zvyšuje odolnost slitiny proti tečení
• Zr a Nb pomáhají při kontrole struktury zrn

Výrobní metody pro prášek ze slitiny titanu

Prášek ze slitiny titanu se vyrábí pokročilými metodami, které z roztavených slitin vytvářejí jemné kulovité prášky. Mezi nejběžnější výrobní techniky patří plynová atomizace, plazmový proces s rotační elektrodou (PREP) a plazmová atomizace.

Atomizace plynu

• Vysokotlaké proudy inertního plynu rozkládají proud roztaveného kovu na jemné kapičky.
• Generuje prášky o velikosti od 10 mikronů do 250 mikronů.
• Nejpoužívanější a nejekonomičtější metoda
• Prášky mají nepravidelný tvar a obsahují satelity.

Proces plazmové rotující elektrody (PREP)

• Roztáčení elektrod rozkládá slitinu pomocí plazmových hořáků
• Vytváří velmi sférické a hladké prášky
• Vynikající kontrola velikosti a distribuce prášku
• Používá se pro reaktivní slitiny a slitiny s vysokým bodem tání.

Plazmová atomizace

• Elektrický oblouk nebo plazma zahřívá a rozprašuje slitinu na kapičky.
• Vytváří vysoce sférické prášky s dobrou sypkostí
• Vhodné pro malosériovou výrobu jemných prášků o velikosti pod 63 mikronů.

Sekundární zpracování

As-atomizované prášky procházejí sekundární úpravou za účelem zlepšení vlastností prášku:

• Sítování na jemné rozdělení velikosti částic
• Kondicionování za účelem odstranění satelitů a minimalizace aglomerace
• Míchání elementárních nebo hlavních slitinových prášků pro dosažení cílového složení

Úvahy o manipulaci

• Prášky ze slitin titanu jsou pyroforické (hořlavé) a vyžadují kontrolované prostředí s obsahem kyslíku a vlhkosti pod 50 ppm během skladování, zpracování a manipulace. Jako inertní krycí plyn se běžně používá argon.

Mechanické vlastnosti prášku ze slitiny titanu

Vlastnosti v tahu

Slitiny titanu vykazují vyšší pevnost v tahu ve srovnání s nelegovaným titanem v závislosti na jejich složení a historii zpracování.

Vliv legujících prvků:

• Hliník zvyšuje pevnost díky zpevnění pevným roztokem
• Přídavky V, Mo, Nb, Ta zvyšují pevnost při vysokých teplotách
• Železo zvyšuje pevnost v tahu při pokojové teplotě

Únavové a lomové vlastnosti

Únavová pevnost a lomová houževnatost klesá s vyšší koncentrací beta stabilizátorů, jako je molybden a vanad. K optimalizaci kombinace pevnostních, tažných, únavových a lomových vlastností lze použít termomechanické úpravy.

Průmyslové aplikace Prášek ze slitiny titanu

Díky vynikající pevnosti, odolnosti proti korozi, tvrdosti a biokompatibilitě jsou titanové slitiny vhodné pro kritické aplikace v různých průmyslových odvětvích.

Letecký průmysl

• Hydraulické systémy letadel
• Nádrže kosmické lodi na pohonné hmoty
• Součásti draku a podvozku
• Součásti motoru, jako jsou lopatky, disky a pláště kompresorů.

Lékařský a zubní průmysl

• Ortopedické implantáty, jako jsou kyčelní klouby, kostní destičky a šrouby.
• Chirurgické nástroje a bioimplantáty
• Ortodontické obloukové dráty
• Zubní implantáty

Automobilový průmysl

• Spojovací tyče, sací ventily, držáky ventilových pružin
• Motocyklové a závodní komponenty
• Díly výfukového systému

Chemický průmysl

• Výměníky tepla, kondenzátory a potrubí
• Procesní zařízení pro odolnost proti korozi
• Odsolování a zařízení pro kontrolu znečištění

Spotřebitelský průmysl

• Hodinky a šperky
• Sportovní vybavení, jako jsou rámy kol, golfové hole, lakrosové hole.
• Obroučky brýlí, piercingy a prsteny.

Další aplikace

• Námořní doprava - lodní šrouby, sonarové kopule, odsolovací zařízení
• Výroba energie - Komponenty parních a plynových turbín
• Architektura - Ozdobné fasádní panely, zábradlí, střechy

Díky vynikajícímu poměru pevnosti a hmotnosti jsou titanové slitiny vhodné k nahrazení ocelových a hliníkových součástí ve všech průmyslových odvětvích.

Specifikace a normy

Prášky ze slitin titanu se vyrábějí podle norem ASTM, které definují přípustné množství kyslíku, dusíku, uhlíku a železa pro různé třídy.

Dodavatelé prášku ze slitiny titanu

Prášky z titanových slitin dodávají výrobci speciálních kovových prášků, kteří vyrábějí různé jakosti přizpůsobené průmyslovým aplikacím.

Klíčoví výrobci prášku ze slitiny titanu:

Klíčoví distributoři prášku ze slitiny titanu:

• Atlantik vybavení inženýrů
• Micron Metals
• Technika TLS
• Globální titan

Analýza nákladů

Prášky ze slitin titanu se pohybují v rozmezí To je pro mě velmi důležité. v závislosti na složení, způsobu výroby, tvaru, rozdělení velikosti, kvalitě, objemu objednávek a zeměpisné oblasti.

Obecně platí, že prášky vyrobené metodami založenými na vakuu (plazmová atomizace, PREP) jsou dražší než prášky atomizované inertním plynem. Jemné lékařské prášky o velikosti pod 45 mikronů jsou dražší.

Možnosti úspory nákladů:

• Použití levnější slitiny Ti-6Al-4V namísto prémiových slitin
• Nahrazení titanu slitinami nerezové oceli nebo hliníku
• Nasazení aditivní výroby vs. CNC obrábění
• Nakupujte ve velkých objemech a využijte množstevní slevy

Srovnání tříd titanu

Slitiny Ti-6Al-4V vs. Ti-6Al-7Nb:

Ti-6Al-4V vs. CP Titanium Grade 1:

• Ti-6Al-4V má 2x vyšší pevnost v tahu a mez kluzu.
• CP Grade 1 nabízí lepší tažnost - prodloužení 25% oproti 10-15%
• Ti-6Al-4V je 45% hmotnostně pevnější než CP titan.
• titan CP je lépe tvarovatelný a snadněji se obrábí než slitina

Plynové vs. plazmové atomizační metody:

Metody zpracování pro Prášek ze slitiny titanu

Tři hlavní způsoby zpracování prášku pro výrobu titanových součástí jsou:

Vstřikování kovů (MIM)

• Velkosériová výroba malých, složitých dílů
• Kombinace vstřikování plastů a spékání kovového prášku
• Vynikající rozměrová přesnost a povrchová úprava
• Letecké a lékařské aplikace

Aditivní výroba (AM)

• Přímý 3D tisk komponent z dat CAD
• Volnost návrhu pro složité a lehké geometrie
• Slitiny titanu, jako je Ti-6Al-4V, se široce používají
• Používá se napříč průmyslovými odvětvími - lékařství, letectví, automobilový průmysl.

Izostatické lisování za tepla (HIP)

• Konsolidace zapouzdřených prášků pomocí tepla a izostatického tlaku
• Dosahuje vysoké hustoty ve složitých tvarech
• Nízké náklady ve srovnání s obráběním plného kovu
• Používá se pro letadla a lékařské komponenty

Nejčastější dotazy

Jaké jsou různé stupně prášku ze slitiny titanu?

Mezi nejběžnější třídy titanových slitin patří Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-10V-2Fe-3Al a Ti-13V-11Cr-3Al. Číslo třídy udává složení - například Ti-6Al-4V obsahuje 6% hliníku a 4% vanadu.

Proč je Ti-6Al-4V nejoblíbenější slitinou titanu?

Ti-6Al-4V nabízí nejlepší kombinaci nízké hmotnosti, odolnosti proti korozi, snadné výroby a ceny. Má vynikající pevnost ve stavu alfa + beta a lze jej dále tepelně zpracovávat. Tvoří více než 50% veškerého použití titanu.

Jaké velikosti částic jsou k dispozici pro prášky ze slitin titanu?

Prášky ze slitin titanu pro aditivní výrobu mají velikost od 15 do 45 mikronů. Jemnější prášky pod 25 mikronů umožňují vyšší rozlišení, ale jsou dražší. Pro aplikace MIM se upřednostňují větší velikosti prášků v rozmezí 45 až 250 mikronů.

Co způsobuje vznícení titanového prášku?

Titanové prášky mají vysokou afinitu ke kyslíku a mohou se samovolně vznítit, pokud jsou vystaveny působení vzduchu. Pyroforická povaha vyžaduje při manipulaci, skladování a zpracování prostředí s inertním plynem. I vlhkost a zbytky oleje mohou iniciovat požár.

Proč je prášek ze slitiny titanu drahý?

Výroba práškové slitiny titanu zahrnuje složité procesy tavení ve vakuu v inertní atmosféře, což ji činí nákladnější než oceli a slitiny hliníku. K vysoké prodejní ceně přispívají také vyšší náklady na suroviny, spotřeba energie, vznik odpadu a nízká možnost opakovaného použití prášku.

V jakých odvětvích se používá prášek ze slitiny titanu?

Díky vysoké pevnosti, nízké hmotnosti a odolnosti proti korozi se používají především v leteckém, lékařském a zubním průmyslu, automobilovém průmyslu, lodním průmyslu, při výrobě sportovního vybavení a při zpracování chemikálií. Biokompatibilita umožňuje použití v chirurgických implantátech a ortodontických drátech.

znát více procesů 3D tisku