Průvodce titanovými prášky

Titanové prášky jsou jemně rozdělené částice kovového titanu používané v různých aplikacích díky svým jedinečným vlastnostem, jako je vysoký poměr pevnosti k hmotnosti, odolnost proti korozi a biokompatibilita. Tato příručka poskytuje podrobný přehled různých typů titanových prášků, jejich složení, vlastností, výrobních metod, aplikací a dodavatelů.

Přehled titanových prášků

Titanové prášky se dodávají v různých úrovních čistoty, velikostech částic a morfologiích pro použití v různých aplikacích v leteckém, automobilovém, chemickém, lékařském, vojenském a dalších průmyslových odvětvích.

Klíčové vlastnosti, díky nimž jsou titanové prášky užitečné:

• Vysoký poměr pevnosti a hmotnosti
• Vynikající odolnost proti korozi
• Nízká hustota ve srovnání s jinými kovovými materiály
• Biokompatibilita a netoxičnost
• Schopnost odolávat extrémním teplotám
• Vysoká chemická stabilita v různých prostředích
• Všestranné možnosti výroby a zpracování

S pokrokem technologií se vyrábějí titanové prášky s více řízenými charakteristikami částic, aby splňovaly požadavky aplikací.

Typy Titanové prášky

Titanové prášky lze kategorizovat na základě složení, výrobní metody, morfologie částic, rozložení velikosti částic a dalších parametrů:

Složení titanového prášku

Typ	Čistota	Klíčové prvky
Komerčně čistý titan	99,5-99,9 % Ti	Fe, C, N, O
Slitina Ti-6Al-4V	90% Ti, 6% Al, 4% V	Al, V
Slitina Ti-3Al-2,5V	97 % Ti, 3 % Al, 2,5 % V	Al, V

• Komerčně čistý titan má vyšší odolnost proti korozi. Titanové slitiny poskytují zvýšenou pevnost.
• Další legující prvky, jako je molybden, zirkonium, cín, křemík, měď a chrom, se mohou také vyskytovat v závislosti na požadovaných vlastnostech.

Způsob výroby titanového prášku

Metoda	Podrobnosti	Charakteristiky částic
Hydrid-dehydrid (HDH)	Houba Ti reagovala s H2, poté se rozložila	Nepravidelná morfologie, široké rozložení velikosti
Rozprašování plynu	Roztavený Ti rozpadnutý tryskami N2/Ar	Sférické, řízené rozložení velikosti
Plazmová atomizace	Vyšší energie než atomizace plynem	Sférické, jemné částice
Indukční atomizace tavicího plynu na elektrodách (EIGA)	Kombinuje indukční tavení v kelímku s atomizací plynem	Sférické, řízený obsah kyslíku

• Prášky atomizované plynem mají více sférických částic ideálních pro aditivní výrobu, zatímco prášky HDH jsou nepravidelné.
• Plazmově atomizované prášky mohou produkovat jemnější částice pod 15 mikronů.

Morfologie částic titanového prášku

Typ	Tvar	Textura povrchu
Nepravidelné	Nesférické náhodné tvary	Drsné povrchy
Granulované	Zaoblené s viditelnými fasetami	Hladké s některými důlky
Sférické	Celkově velmi kulaté	Velmi hladké

• Tvar částic ovlivňuje tok prášku, hustotu slisování, rovnoměrnost vrstvy v procesech AM.
• Hladší, sférické prášky poskytují lepší výkon ve většině kovových systémů AM.

Distribuce velikosti částic titanového prášku

Titanové prášky vhodné pro procesy AM, jako je laserové spékání práškové vrstvy (L-PBF) a depozice řízené energií (DED), mají rozložení velikosti částic mezi:

• 15-45 mikronů
• 45-150 mikronů

Jemnější prášky 15-45 mikronů umožňují vyšší rozlišení, zatímco hrubší prášky 45-150 minimalizují zachycené plyny a zlepšují tekutost.

Vlastnosti titanových prášků

Klíčové vlastnosti titanových prášků jsou:

Tabulka: Vlastnosti titanového prášku

Vlastnictví	Podrobnosti
Hustota	4,5 g/cc
Bod tání	1668°C
Tepelná vodivost	Nízká, 6,7 W/mK
Elektrická vodivost	Nízká, 0,4 MS/m
Chemická reaktivita	Vzniká stabilní oxidová vrstva na vzduchu
Mechanická síla	Vysoký poměr pevnosti a hmotnosti
Odolnost proti korozi	Odolný vůči široké škále kyselin, chloridů a dalších chemikálií
při zvýšených teplotách
Biokompatibilita	Vynikající, netoxický, nealergenní

• Oxidová vrstva činí titan odolným vůči korozi a poskytuje bioinertnost.
• Titan má nejvyšší poměr pevnosti k hmotnosti mezi kovy po beryliu.
• Legování významně zlepšuje mechanické vlastnosti při vysokých teplotách.

Způsoby výroby titanových prášků

Běžně používané techniky k výrobě titanových prášků zahrnují:

Tabulka: Způsoby výroby titanového prášku

Metoda	Princip fungování	Charakteristiky částic
Hydrid-dehydrid (HDH)	Houba Ti reaguje s H<sub>2</sub> za vzniku křehkého TiH<sub>2</sub> , který se rozdrtí a rozloží na prášek	Nepravidelné tvary, široké rozložení velikosti
Rozprašování plynu	Vysokorychlostní trysky inertního plynu rozpadají proud roztaveného titanu na kapky, které ztuhnou na prášek	Sférické částice, řízené rozložení velikosti
Plazmová atomizace	Podobné jako atomizace plynem, ale používá se plazmový oblouk s vyšší energií	Jemnější sférické částice, tvorba satelitů
Atomizace elektrodou indukčním plynem (EIGA)	Kombinuje indukční tavení v kelímku z chladné mědi s atomizací plynem	Jemnější částice, menší absorpce kyslíku

Další kroky, jako je prosévání, deoxygenace nebo konsolidace, mohou dále upravit prášky pro specifické aplikace.

Aplikace z Titanové prášky

Klíčové aplikace využívající vlastnosti titanového prášku:

Tabulka: Aplikace titanového prášku

Průmysl	aplikace	Výhody
Aerospace	Kování, lití dílů motorů; AM trupu, turbínových komponent	Vysoký poměr pevnosti a hmotnosti
Chemické	Zařízení jako výměníky tepla, nádrže, potrubí	Odolnost proti korozi
Automobilový průmysl	Ventily, ojnice, závěsy	Lehké, odolné
Biomedicína	Implantáty, protézy, zařízení	biokompatibilita, osseointegrace
Vojenské stránky	Balistické pancéřové desky, vozidla	Vysoká pevnost, nízká hustota
Aditivní výroba	L-PBF komponent Ti-6Al-4V pro letecký průmysl, automobilový průmysl	Ekonomická výroba složitých, lehkých dílů

• Biokompatibilita umožňuje integraci titanových implantátů s minimální zánětlivou reakcí.
• Schopnost 3D tisku složitých titanových komponent rozšiřuje flexibilitu výroby.

Zejména slitina titanu Ti-6Al-4V dominuje v letectví, lékařských implantátech a aplikacích kovového AM díky své pevnosti, zpracovatelnosti a odolnosti proti korozi v kombinaci s komerční dostupností.

Specifikace titanového prášku

Průmyslové titanové prášky pro AM a další aplikace musí odpovídat specifikacím pro složení, rozložení velikosti částic, morfologii, charakteristiky toku, hladiny nečistot a další parametry.

Tabulka: Specifikace titanového prášku

Parametr	Typická specifikace	Zkušební metoda
Velikost částic	15-45 μm; 45-150 μm	Laserová difrakce, síto
Tvar částic	Poměr stran pod 3	Mikroskopie
Zdánlivá hustota	Nad 2,5 g/cm3	Hallův průtokoměr
Hustota poklepání	Až 4 g/cc	ASTM B527
Průtoková rychlost	25-35 s/50g	Hallův průtokoměr
Obsah kyslíku	Pod 0,2 % hmotn.	Fúze inertních plynů
Obsah dusíku	Pod 0,05 % hmotn.	Fúze inertních plynů
Obsah vodíku	Pod 0,0125 % hmotn.	Fúze inertních plynů

Splnění kritérií kvality prášku zajišťuje konzistenci, spolehlivost a výkon ve výrobě AM.

Dodavatelé titanových prášků

Klíčoví výrobci a dodavatelé titanového prášku na celém světě zahrnují:

Tabulka: Dodavatelé titanového prášku

Společnost	Třídy prášku	Výrobní metody
AP&C	Ti-6Al-4V, Ti-64 ELI, Ti Grade 2	Plazmová atomizace
Technika TLS	Ti-6Al-4V, Ti Grade 2, Ti Grade 5	Rozprašování plynu
Praxair (T.I.P.)	CP Ti, Ti-6Al-4V	Více
SLMP Mallory	CP Ti, Ti-6Al-4V	HDH, Atomizace plynem
Přísada pro tesaře	Ti-6Al-4V	Rozprašování plynu
Sandvik	Více slitin Ti	Plazmová atomizace
Technologie LPW	CP Ti, slitiny Ti	Plazmová atomizace

Ceny se liší od 50 USD/kg za nepravidelný prášek až po více než 1000 USD/kg za vysoce sférické plazmově atomizované materiály používané v náročných aplikacích, jako jsou letecké komponenty.

Srovnání titanových prášků

Tabulka: Srovnání typů titanového prášku

Parametr	Prášek HDH	Rozprášený plyn	Rozprašování plazmou
Tvar částic	Nepravidelné	Zaoblené	Vysoce sférický
Rozsah velikostí (μm)	50-250	15-150	5-45
Náklady na výrobu	Nízký	Mírný	Vysoký
Obsah kyslíku	Vyšší	Dolní	Nejnižší
Používá	Lisování a spékání	Vstřikování kovu, horké izostatické lisování	AM (DED, L-PBF)

Prášky HDH jsou levnější, ale nepravidelné částice omezují použití na technologie lisování a slinování, zatímco plazmově atomizovaný prášek, navzdory vysokým nákladům, poskytuje vynikající vlastnosti toku a tavení pro náročnou aditivní výrobu. Prášek atomizovaný plynem nabízí dobrou rovnováhu pro většinu aplikací.

Výhody a omezení Titanové prášky

Tabulka: Výhody a omezení titanových prášků

Výhody	Omezení
Vysoký poměr pevnosti a hmotnosti	Drahé ve srovnání s ocelí
Zachovává si vlastnosti při zvýšených teplotách	Vyžaduje zpracování v řízené atmosféře
Odolný vůči široké škále chemikálií	Nízká tepelná vodivost
Zcela recyklovatelný	Náchylný ke kontaminaci, jako je absorpce kyslíku
Nemagnetické a nejiskřící	Obtížné obrábění v určitých formách slitin
Snadno se vyrábí do složitých tvarů	Omezená základna dodavatelů, zejména pro vysoce kvalitní prášek

Přednosti titanu jej činí vhodným pro specializované aplikace navzdory nevýhodám, jako jsou vysoké náklady a citlivost na kontaminaci během opětovného použití nebo recyklace.

Často kladené otázky

1. Proč je vysoká čistota důležitá pro titanové prášky určené pro lékařské nebo letecké aplikace?

Vysoká čistota minimalizuje nepříznivé biologické reakce a zajišťuje spolehlivý výkon za náročných provozních podmínek po celou dobu životnosti produktu trvající desítky let. Stopové prvky mohou negativně ovlivnit mechanické vlastnosti nebo odolnost proti korozi.

2. Jaký je přínos sférických titanových prášků pro AM?

Sférické prášky s hladkou povrchovou texturou poskytují vynikající tekutost, roztíratelnost, hustotu balení a rovnoměrnost vrstvy během procesů tavení laserem nebo elektronovým paprskem, což vede k vyšší kvalitě 3D tištěných součástí.

3. Jaká metoda výroby titanového prášku poskytuje nejjemnější velikost částic?

Plazmová atomizace titanu může poskytnout extrémně jemné částice v rozsahu 5-15 mikronů díky vyššímu energetickému vstupu, což umožňuje velmi vysoké rozlišení AM zpracování. Produktivita je však nižší než u plynové atomizace.

4. Proč je plynová atomizace nejoblíbenější metodou výroby titanového prášku?

Prášky atomizované plynem nabízejí dobrou rovnováhu mezi distribucí velikosti částic, sférickou morfologií, objemovou hustotou a mírným nárůstem kyslíku během výroby za rozumnou cenu. To umožňuje velkou flexibilitu při splňování specifikací pro lisování, AM, tepelné stříkání nebo jiné technologie práškové metalurgie.

5. Co se rozumí pojmem „satelitní částice“ u plazmově atomizovaného titanového prášku?

Satelity se vztahují k velmi jemným, poddimenzovaným částicím, které ulpívají na povrchu hrubších částic během rychlé solidifikace. Tyto satelity se mohou zachytit ve vrstvách, což negativně ovlivňuje konsolidaci a hustotu.

Souhrn

Díky své vysoké pevnosti, nízké hustotě, teplotní odolnosti, odolnosti proti korozi a biokompatibilitě slouží titanové prášky pro kritické aplikace v leteckém, lékařském, automobilovém, chemickém a vojenském sektoru.

Moderní metody atomizace tavením plynem, plazmou a indukčními metodami mohou produkovat titanové prášky s přizpůsobenými charakteristikami částic, aby se maximalizoval výkon v procesech AM v práškovém loži, jakož i vstřikování kovů, lisování a slinování, tepelné stříkání a další.

Přední výrobci titanového prášku nabízejí různé druhy, včetně komerčně čistého titanu spolu s pracovními slitiny, jako je Ti-6Al-4V, které splňují klíčové ukazatele pro distribuci velikosti, tvar a čistotu.

Navzdory vyšším nákladům oproti oceli poskytují titanové prášky požadovanou kombinaci mechanických a chemických vlastností, které odůvodňují použití v kritických rotujících částech, systémech ochrany pancíře, biomedicínských implantátech a 3D tištěných komponentech, kde jsou výkon, životnost a spolehlivost zásadní.

Pokračující výzkum a vývoj zaměřený na výrobu prášku, následné zpracování, vývoj slitin a kvalifikaci si klade za cíl rozšířit přijetí v leteckém, obranném, motoristickém a lékařském sektoru, kde schopnosti titanu mohou umožnit dopravní a zdravotnické technologie nové generace.

znát více procesů 3D tisku