Kovový prášek z titanu

kovový prášek z titanu metalurgie umožňuje výrobu pokročilých lehkých konstrukčních dílů kombinujících vysokou specifickou pevnost, odolnost proti korozi a biokompatibilitu. Tato příručka se zabývá metodami výroby titanového prášku, charakteristikami, strategiemi legování, aplikacemi, specifikacemi, cenami a srovnáním s alternativními kovy. Zahrnuje také směry výzkumu a doporučení odborníků ohledně zpracování titanového prášku pro optimalizované vlastnosti.

Přehled

Klíčové atributy činí titanový kovový prášek užitečným v různých průmyslových odvětvích od letectví po lékařství:

• Nejvyšší poměr pevnosti k hmotnosti ze všech kovových prvků
• Plně biokompatibilní a netoxický
• Odolává slané vodě, vodní a fyziologické korozi
• Tepelně inertní od kryogenních po 600 °C
• Tažnější než konkurenční vysokopevnostní slitiny
• Kompatibilita s 3D tiskem s fúzí práškového lože
• Umožňuje lehké kompozity a vyztužené konstrukce

Pokračující vývoj práškové metalurgie titanu nyní umožňuje větší tištěné díly pro ortopedické implantáty, letecké komponenty, automobilové systémy a mnoho obecných strojírenských aplikací, které využívají inherentní výhody titanu.

Kovový prášek z titanu Složení

Komerčně čistý titan obsahuje >99 % titanu s nízkými nečistotami kyslíku a železa:

Živel	Hmotnost %	Role
titan (Ti)	99.5%+	Odolnost proti korozi, pevnost
Kyslík (O)	<0.20%	Kontaminant – snižuje tažnost
železo (Fe)	<0,30 %	Kontaminant – snižuje odolnost proti korozi
dusík (N)	<0,03%	Kontaminant – způsobuje křehnutí
uhlík (C)	<0,10 %	Kontaminant – snižuje vazbu

Vysoká reaktivita titanu znamená, že se v přírodě nikdy nenachází v čisté formě. Ale jakmile se extrahuje a vyčistí na prášek, vykazuje výjimečné vlastnosti vhodné pro výrobu vysoce výkonných dílů.

Charakteristika a vlastnosti

• Vysoký pevnost v tahu – 490 MPa
• Hustota – 4,5 g/cm3
• Bod tání – 1668 °C
• Tepelná roztažnost – 8,6 μm/(m.K)
• Elektrický odpor – 420 nΩ.m
• Tepelná vodivost – 21,9 W/(m.K)
• Paramagnetický bez biotoxicity
• Vynikající biokompatibilita

Tyto vlastnosti silně závisí na kontrole nečistot během fází výroby prášku, jak je popsáno dále.

Metody výroby titanového prášku

Armstrongův proces

• Redukce chloridu titaničitého sodíkem/hořčíkem v inertní atmosféře
• Usnadňuje prášek s nízkým obsahem intersticiálních prvků vhodný pro aditivní výrobu

Hydrid-Dehydrid (HDH) proces

• Nejběžnější metoda převodu titanové houby na sférický prášek
• Nižší náklady, ale vyšší záchyt kyslíku vyžadující optimalizaci

Kroky	Podrobnosti
Vstupní suroviny	Titanový ingot nebo houba
Hydriding	Proces reakce Ti s vodíkem za vzniku křehkého TiH2
Frézování	Drcení hydridu na jemné práškové částice
Dehydridace	Pečlivé odstranění vodíku z TiH2
Kondice	Sušení, míchání, úprava distribuce velikosti částic
Závěrečné testování	Chemické testy, distribuce velikosti částic, kontrola morfologie

Klíčové charakteristiky:

• Velikosti částic upravené mezi 15 mikrony až 150 mikrony
• Téměř sférické morfologie s některými satelity
• Kontrolované nízké úrovně nečistot kyslíku a dusíku
• Minimalizovaná povrchová oxidace pomocí stabilizačních tepelných úprav
• Možnost míchání chemie na zakázku smícháním hydridových prášků

Následující část zdůrazňuje některé přístupy ke konsolidaci titanového prášku do konečných dílů a součástí.

Použití aplikací Kovový prášek z titanu

Aditivní výroba

• 3D tisk složitých geometrií pomocí fúze laserového práškového lože
• Letecké a lékařské implantáty, jako jsou ortopedické kolenní/kyčelní klouby
• Lehké vážení jinak obráběných součástí

Vstřikování prášku

• Hromadná výroba malých součástí s čistým tvarem, jako jsou spojovací prvky
• Nákladově efektivní konsolidace do titanového hardwaru

Vstřikování kovů

• Malé složité titanové díly s tenkými stěnami
• Korozivzdorné ventily a armatury

Práškové metalurgické lisy a spékače

• Horké izostatické lisování zapouzdřeného titanu
• Porézní struktury, jako jsou povrchy pro vrostání kostí

Tepelný nástřik

• Povlaky z titanu odolné proti opotřebení a korozi
• Záchrana opotřebovaných součástí pomocí kovových povlaků

Vznikající: 3D tisk s tryskovým nanášením pojiva s použitím polymerních lepidel spolu s ultrazvukovou konsolidací a technikami aditivního nanášení za studena, které jsou nyní ve vývoji.

Dále uvádíme obecné specifikace používané pro objednávání titanového prášku na zakázku.

Specifikace titanového prášku

Komerčně dostupný titanový prášek pro průmyslové použití odpovídá zavedeným metrikám kvality:

Parametr	Typické hodnoty
Distribuce velikosti částic	10 μm až 150 μm
Tvar částice	Převážně sférické
objemová hmotnost	2,2 g/cm3 až 3,0 g/cm3
Zdánlivá hustota	1,5 g/cm3 až 2,0 g/cm3
Čistota	99,7 % obsahu titanu
Nečistota kyslíkem	<2000 ppm
Nečistota dusíkem	<150 ppm
Nečistota vodíkem	<100 ppm
Tekutost	Zlepšeno pomocí suchých povlaků

Inženýrství částic – Menší je obtížné, ale lepší. Větší než 100 mikronů představuje riziko nedokonalostí.

Čistota – Zásadní pro vlastnosti a závisí na výrobní trase.

Vlastnosti prášku – Odpovídá technice konsolidace a požadovanému výkonu materiálu.

Je možná značná úprava na míru, ale vyžaduje závazky MOQ. Partnerství v oblasti dodávek usnadňují vývoj aplikací.

Postřehy o zpracování titanového prášku

Manipulace s jemným titanovým práškem představuje riziko vzplanutí, které vyžaduje bezpečnostní opatření:

• Používejte inertní plynové boxy pro skladování a manipulaci
• Zabraňte skladování velkých množství v blízkosti zdrojů zapálení
• Elektricky uzemněte zařízení, aby se rozptýlil statický náboj
• Používejte vyhrazené vakuové a ventilační systémy
• Tepelně chraňte reaktivní meziprodukty, jako je hydrid
• Dodržujte přísné bezpečnostní protokoly vzhledem k reaktivitě materiálu

Další část se zabývá ekonomikou titanového prášku, který zůstává nákladnější než tradiční tvářené kovové formy.

Analýza cen titanového prášku

Produkt	Cenové rozpětí
Titanový prášek pro výzkum a vývoj	800+ USD za kg
Průmyslová třída	$100+ za kg
Letecká třída	200+ USD za kg
Lékařská kvalita	500+ USD za kg

Ekonomika výroby prášku dominuje nákladům na hotové díly ve vztahu k přidané hodnotě materiálu. Potenciál lehkosti však ospravedlňuje přijetí pro letecké, kosmické a závodní mobilní aplikace.

Přísné požadavky na chemické složení pro certifikaci biokompatibility zvyšují cenové hladiny pro lékařské účely. Vysoký obsah dusíku činí prášek nevhodným pro implantáty pro kontakt s kostí.

Partnerství v oblasti dodávek a kvalifikované dohody LTA pomáhají zajistit nejlepší ceny a stabilizovat proměnlivou volatilitu surovin v nákladech na houbu z titanu kontrolovanou vývozem.

Srovnání s alternativami

Titan konkuruje ocelím, hliníkovým slitinám, hořčíku a pokročilým kompozitům:

Materiál	Pevnost v tahu	Hustota	Odolnost proti korozi	Biologická kompatibilita	Náklady
Titanium Ti64	Vysoký	Světlo	Vynikající	Vynikající	$$$
Nerezová ocel 316L	Střední	Těžké	Dobrý	Veletrh	$
Al 6061	Střední	Světlo	Špatný	Dobrý	$
Slitiny CoCr	Vysoký	Těžké	Vynikající	Rizika toxicity	$$
Mg AZ91	Nízký	Nejlehčí	Veletrh	Dobrý	$
PEEK polymer	Střední	Nízký	Vynikající	Bio-inertní	$$$

Výhody titanu

• Nejvyšší poměr pevnosti k hmotnosti
• Plná odolnost proti korozi
• Osvědčená biokompatibilita
• Dostupná infrastruktura dodávek

Omezení titanu

• Vysoká citlivost na geometrii návrhu
• Komplikované vypalování a odstraňování pojiva
• Manipulace s reaktivním práškem vyžaduje kontrolu
• Relativně drahé ceny surovin

Pochopení těchto technických a komerčních kompromisů pomáhá identifikovat ideální aplikace, které nejvíce těží z práškové metalurgie titanu.

Výhled výzkumu a vývoje

Nové snahy o zlepšení titanového prášku zahrnují:

Slitinový design

• Kompozice na míru pro dermatologické implantáty
• Slitiny s vysokou entropií s exotickými elementárními směsmi

Modelování

• Predikce vývoje mikrostruktury během tepelného zpracování
• Charakterizace limitů opětovného použití prášku

Proces AM

• Tisk s tryskovým nanášením pojiva následovaný mikrovlnným slinováním
• Hybridní výroba kombinující konsolidaci nástřikem za studena

Výroba prášku

• Elektrostatické sféroidizace bez hydridace
• Nízké náklady na směsi titanového prášku prostřednictvím opětovného použití

Aplikace

• Kvalifikace prototypů leteckých turbín
• Zařízení pro tepelné řízení elektroniky
• Převodovka s plynulou změnou převodu

Souhrn

Titan je kovový prvek s nejvyšším poměrem pevnosti k hmotnosti, ale vždy bylo notoricky obtížné jej extrahovat a vyrábět pomocí tradičních technik odlévání a obrábění. Nedávné pokroky v práškové metalurgii transformují potenciál titanu pro dodávání lehkých, vysoce pevných tištěných dílů kombinujících odolnost proti korozi a biokompatibilitu. Přizpůsobení shody chemického složení napříč lékařskými, leteckými a automobilovými aplikacemi nyní odemyká inovativní geometrie, které byly dříve technicky nebo ekonomicky nemožné. Manipulace s pyroforyckými reaktivními riziky jemného titanového prášku však zůstává bariérou odbornosti, která vyžaduje extrémní bdělost při zkoumání přijetí. Úzká spolupráce se specializovanými materiálovými partnery umožňuje využít plný potenciál titanu a zároveň zmírnit provozní rizika.

znát více procesů 3D tisku

Často kladené otázky (FAQ)

1) What are the most common titanium metal powder grades for AM and MIM?

• For AM: Ti-6Al-4V (Grade 5) and Ti-6Al-4V ELI (Grade 23) dominate due to strength and biocompatibility; CP-Ti Grades 1–4 are used where maximum corrosion resistance and ductility are needed. For MIM/PIM: CP-Ti Grade 2 and Ti-6Al-4V ELI are typical, with tighter interstitial controls (O, N, H).

2) Which particle size and morphology are optimal for laser powder bed fusion?

• Spherical PSD with D10 ≈ 15–20 μm, D50 ≈ 30–40 μm, D90 ≈ 50–60 μm for 30–60 μm layer thickness. Satellite content should be minimized; Hall flow 18–25 s/50 g and apparent density 2.0–2.4 g/cc support stable recoating.

3) How do oxygen and nitrogen affect titanium powder properties?

• Oxygen increases strength but reduces ductility; nitrogen drives embrittlement. For medical Ti64 ELI, typical specs are O ≤ 0.13 wt%, N ≤ 0.03 wt%, H ≤ 0.012 wt%. Exceeding these limits can fail implant standards (ASTM F3001/F2924).

4) Can titanium powder be reused in AM without degrading properties?

• Yes, with closed-loop sieving and oxygen control. Industry practice in 2025 targets ≤10–20% virgin top-up per build with O rise ≤0.03 wt% over multiple cycles. Mechanical properties must be verified per lot with density and chemistry checks.

5) What safety measures are critical when handling titanium metal powder?

• Use inert gas handling, ground equipment to prevent static discharge, Class D extinguishers for metal fires, and HEPA extraction. Avoid open flames and hot surfaces; store in sealed, dry containers; conduct DHA (dust hazard analysis) per NFPA 484.

2025 Industry Trends

• Sustainability and traceability: Buyers require full powder genealogy, EPDs, and Scope 3 data; suppliers adopt recycled Ti scrap streams with certified low interstitials.
• Ultra-low interstitial (ULI) powders: Argon atomization plus inert pack-out push O to 0.08–0.12 wt% for ELI-grade applications and thin-lattice implants.
• Binder jet maturation: Binder jet + sinter/HIP of CP-Ti and Ti64 moves from prototyping to qualified small-batch production for heat exchangers and filters.
• AI-driven process windows: ML models predict lack-of-fusion and alpha-case risk from PSD, flow, and oxygen trends, cutting trial builds.
• Pricing stabilization: Sponge supply and logistics normalize; medical-grade ELI premium persists but narrows.

Titanium metal powder benchmarks and 2025 outlook

Metrický	2023 Typical	2024 Typical	2025 Outlook	Notes/Sources
Ti64 ELI O (wt%) new powder	0.12–0.15	0.10–0.14	0.08–0.12	ASTM F3001, supplier datasheets
Reuse top-up ratio (virgin %)	20-30	15-25	10-20	AM fatigue assurance programs
LPBF build rate (cm³/h, 400W)	12–18	14–22	18–28	Higher hatch speeds/scanners
Typical relative density LPBF (%)	99.5–99.8	99.6–99.9	99.7–99.95	In-situ monitoring assists
Medical-grade powder price ($/kg)	400–700	350–650	320–600	Regional variance
Binder jet shrinkage (linear, %)	14–18	13–17	12–16	Improved sintering aids
L-PBF fatigue (R=0.1, 10⁷ cycles, MPa)	350–480	380–520	420–560	HIP + surface conditioning

Key references:

• ASTM F2924 (Ti64 AM), ASTM F3001 (Ti64 ELI AM), ASTM F67 (CP-Ti), ASTM B348 — https://www.astm.org
• MPIF standards for MIM powders — https://www.mpif.org
• ISO/ASTM 52907 (Feedstock materials) — https://www.iso.org

Latest Research Cases

Case Study 1: Medical Ti-6Al-4V ELI Lattices with Ultra-Low Oxygen (2025)

• Background: An implant OEM needed higher fatigue limits for porous acetabular cups while maintaining osteointegration.
• Solution: Switched to ULI Ti64 ELI powder (O=0.09 wt%), implemented closed-loop powder reuse with real-time O/N/H LECO checks; LPBF followed by HIP at 920°C/100 MPa and electropolishing.
• Results: High-cycle fatigue improved 11–16% versus baseline (to 540 MPa at 10⁷ cycles); strut ductility +9%; pore interconnectivity unchanged. Internal validation referencing ASTM F3001 and ISO 13314 compression of cellular metals.

Case Study 2: Binder Jet CP-Ti Heat Exchanger Qualification (2024)

• Background: An aerospace supplier pursued weight reduction and corrosion resistance for a small heat exchanger core.
• Solution: Binder jet with CP-Ti Grade 2 powder (D50 ~ 30 μm); tailored debind/sinter curve and post-HIP; helium leak testing and salt fog per ASTM B117.
• Results: 36% mass reduction vs. brazed aluminum baseline; 2.4× corrosion life in salt fog; dimensional shrinkage prediction error reduced to 0.6% using ML compensation. Pre-qualification report aligned to AMS 4998 property targets.

Názory odborníků

• Prof. David L. Bourell, Additive manufacturing pioneer, The University of Texas at Austin
• “For titanium metal powder in LPBF, consistent PSD and ultra-low interstitials are as impactful as laser parameters. Powder quality is the first process parameter.” Publications via SME/ASTM AM conferences.
• Dr. Thomas Ebel, Head of AM Metals, Fraunhofer IAPT
• “Binder jetting of titanium is transitioning to production where tight oxygen control and predictive sintering models converge—especially for heat exchangers and filters.”
• Dr. Elizabeth A. Holm, Professor of Materials Science, Carnegie Mellon University
• “Data-driven powder reuse strategies can retain Ti-6Al-4V properties with minimal virgin additions when oxygen uptake is monitored and bounded.”

Organizations: Fraunhofer IAPT — https://www.iapt.fraunhofer.de, ASTM International — https://www.astm.org, ISO/ASTM 529xx series — https://www.iso.org

Practical Tools/Resources

• Standards and specs
• ASTM F2924/F3001 (AM titanium), ASTM F67 (CP-Ti), ISO/ASTM 52907 (feedstock) — https://www.astm.org, https://www.iso.org
• MPIF 35 and MIM testing methods — https://www.mpif.org
• Powder and process control
• LECO O/N/H analyzers — https://www.leco.com
• Laser diffraction PSD (ISO 13320) and SPOS imaging analysis
• In-situ LPBF monitoring (EOSTATE, Renishaw InfiniAM, 3D Systems Oqton)
• Simulation and databases
• Thermo-Calc/TCPrisma for Ti phase transformations — https://www.thermocalc.com
• nTopology/Ansys for lattice and thermal topology optimization — https://www.ntop.com, https://www.ansys.com
• Safety and compliance
• NFPA 484 combustible metals guideline — https://www.nfpa.org
• OSHA/ATEX combustible dust resources — https://www.osha.gov
• Sourcing/market
• MatWeb and Total Materia for material property lookup — https://www.matweb.com, https://www.totalmateria.com
• LME/titanium market commentary for sponge trends — https://www.lme.com

Operational checklist for Titanium Metal Powder

• Chemistry: Verify O, N, H against application (medical vs. industrial); record per-lot COA.
• PSD/Morphology: Spherical, narrow PSD matched to layer thickness; sieve management plan.
• Reuse: Define oxygen budget and virgin top-up policy; track O rise per build.
• Post-processing: HIP to close porosity; remove alpha case via machining/chemical milling.
• EHS: Conduct DHA; establish Class D fire response; maintain inert storage and HEPA capture.

Last updated: 2025-10-28
Changelog: Added 5 FAQs tailored to titanium metal powder; included 2025 trends with benchmarking table; provided two recent case studies; compiled expert opinions with authoritative affiliations; listed practical tools/resources and an operational checklist
Next review date & triggers: 2026-05-30 or earlier if ASTM/ISO AM titanium standards revise limits, major supply or pricing shifts occur, or binder jet qualification data expands for CP-Ti and Ti64