Sphärisches Titan-Pulver

Übersicht

Sphärisches Titanpulver ist eine Form von Titanmetallpulver, das so verarbeitet wurde, dass es eine kugelförmige Morphologie aufweist. Es zeichnet sich durch seine hohe Sphärizität, glatte Oberfläche, kontrollierte Partikelgrößenverteilung und gute Fließfähigkeit aus.

Zu den wichtigsten Eigenschaften und Details von kugelförmigem Titanpulver gehören:

Typen

• Reines Titanpulver
• Pulver aus Titanlegierungen (Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, usw.)

Produktionsmethoden

• Gaszerstäubung
• Verfahren mit rotierenden Plasmaelektroden (PREP)
• Elektroden-Induktions-Schmelzgaszerstäubung (EIGA)

Partikelgrößenbereich

• 15-45 Mikrometer
• 45-100 Mikrometer
• 106-250 Mikrometer

Typische Verwendungen

• 3D-Druck-Pulver
• Metall-Spritzgießen
• Thermisches Spritzen
• Herstellung von Teilen aus Titan

Wesentliche Merkmale

• Hohe Sphärizität (>90%)
• Kontrollierte Partikelgrößenverteilung
• Gute Fließfähigkeit
• Hohe Reinheit
• Geringere Oberfläche im Vergleich zu unregelmäßigen Pulvern

Arten von Sphärisches Titan-Pulver

Es gibt zwei Hauptkategorien von sphärischem Titanpulver, die auf der Zusammensetzung beruhen:

Tabelle 1: Arten von kugelförmigem Titanpulver

Typ	Beschreibung
Reines Titan	99,5% Titan mit niedrigem Sauerstoff- und Eisengehalt
Titan-Legierungen	Titan in Kombination mit Aluminium + Vanadium, Niob, usw.

Reintitan-Pulver

Reines kugelförmiges Titanpulver enthält mindestens 99,5% Titan mit Höchstwerten für Sauerstoff und Eisen. Es hat den höchsten Titangehalt im Vergleich zu Titanlegierungen.

Typische Zusammensetzung:

• Titan: mindestens 99,5%
• Sauerstoff: maximal 2000 ppm
• Eisen: maximal 3000 ppm

Es bietet Eigenschaften, die denen von reinem Titan nahe kommen - hohe Festigkeit, geringe Dichte, Korrosionsbeständigkeit. Es wird verwendet, wenn eine hohe chemische Reinheit erforderlich ist.

Pulver aus Titanlegierungen

Die gebräuchlichsten Titanlegierungspulver sind Ti-6Al-4V und Ti-6Al-7Nb mit Zusätzen von Aluminium, Vanadium oder Niob. Andere Legierungen werden auch mit Elementen wie Molybdän, Zirkonium und Zinn hergestellt.

Vorteile von Legierungen:

• Erhöhte Stärke
• Höhere Temperaturbeständigkeit
• Verbesserte Korrosionsbeständigkeit

Legierungspulver erweitern den Anwendungsbereich über Reintitanpulver hinaus.

Produktionsmethoden für kugelförmiges Pulver

Der Metallspritzguss oder MIM-Metallpulver ist ein Herstellungsverfahren, das aufgrund seiner Fähigkeit, komplexe, hochpräzise Metallteile in großen Stückzahlen herzustellen, immer beliebter wird. Im Kern verwendet das MIM-Verfahren ein Rohmaterial, das aus feinen Metallpulverpartikeln besteht, die mit einem Bindemittel vermischt sind. Wenn dieses Rohmaterial in eine Form eingespritzt wird, ermöglicht es komplizierte Formen […]

Tabelle 2: Herstellungsverfahren für kugelförmiges Titanpulver

Methode	Grundsatz	Partikelgröße*
Gaszerstäubung	Zertrümmerung des geschmolzenen Stroms durch Gasdüsen	15-106 μm
Plasma-Rotationselektrode (PREP)	Zentrifugaler Aufschluss von geschmolzenem Metall	15-45 μm
Elektroden-Induktions-Gaszerstäubung (EIGA)	Induktionsschmelzen + Gaszerstäubung	15-250 μm

Typische produzierte Größenbereiche

Bei der Gaszerstäubung werden Hochgeschwindigkeits-Inertgasstrahlen wie Argon oder Stickstoff verwendet, um einen geschmolzenen Strom von Titanmetall in feine Tröpfchen aufzubrechen, die sich zu Pulver verfestigen. Dabei entstehen kugelförmige Partikel mit glatten Oberflächen, die auf die Oberflächenspannung zurückzuführen sind.

PREP und EIGA sind Varianten, die eine bessere Kontrolle, engere Größenverteilungen und eine Formoptimierung bieten.

Spezifikationen

Sphärisches Titanpulver ist in verschiedenen Größenklassen erhältlich, die nach dem Partikeldurchmesser eingeteilt sind. Zu den gängigen Maschenweiten gehören:

Tabelle 3: Spezifikationen der Partikelgröße

Größenklassifizierung	Maschenweite	Partikeldurchmesser
Klein	-325 Maschen	<45 μm
Mittel	140-325 Maschen	45-100 μm
Groß	+100 Maschen	>106 μm

Andere Parameter, die zur Spezifizierung von Pulvern verwendet werden:

• Sphärizität: >90% gibt an, wie kugelförmig die Partikel sind
• Klopfdichte: 2,2-3,5 g/cm3 gibt die Packungsdichte an
• Hausner-Verhältnis: <1,25 zeigt Fließfähigkeit an
• Scheinbare Dichte: Bereich auf der Grundlage der Zusammensetzung
• Durchflussmenge: Messung des Massendurchflusses durch einen Trichter

Zu den Normen, die für die Spezifikation von Pulvern verwendet werden, gehören ASTM B819, ASTM F3049, EN 10204/3.1.

Anwendungen von Sphärisches Titan-Pulver

Die kontrollierte Partikelgrößenverteilung und die kugelförmige Morphologie bieten bestimmte Vorteile, die die Einsatzmöglichkeiten von Titanpulver erweitern:

Tabelle 4: Typische Anwendungen von sphärischem Titanpulver

Bereich	Vorteile
3D-Druck	Ausgezeichnete Fließfähigkeit, Packungsdichte für die additive Fertigung
Metall-Spritzgießen	Ermöglicht die Herstellung komplexer Net-Shape-Teile
Thermisches Spritzen	Verbessert die Beschichtungsdichte und die Abscheidungseffizienz
Pulvermetallurgie	Erleichtert die Herstellung von Titanteilen wie Befestigungselementen und Zahnrädern
Biomedizinische	Verbessert die Eigenschaften von Oberflächenbeschichtungen für Implantate
Luft- und Raumfahrt	Wird zur Reparatur von Triebwerksteilen durch heißisostatisches Pressen verwendet

Der Hauptvorteil von kugelförmigem Pulver besteht darin, dass es die automatische Materialhandhabung besser erleichtert als unregelmäßiges Pulver. Dies ermöglicht die Herstellung von Titankomponenten in annähernd natürlicher Form.

Lieferanten und Preisgestaltung

Sphärisches Titanmetallpulver wird von verschiedenen führenden Herstellern verkauft:

Tabelle 5: Die wichtigsten Lieferanten von sphärischem Titanpulver

Unternehmen	Produktionsmethoden
AP&C	Gaszerstäubung
Tischlertechnik	Elektroden-Induktionsschmelzen
Sandvik	Plasma-Zerstäubung
TLS Technik	Gaszerstäubung
Tekna	Plasma-Induktion

Kostenvoranschlag:

• Reintitan: $50-100 pro kg
• Titan-Legierungen: $70-150 pro kg

Die Preise variieren je nach Bestellmenge, Pulversorte, Partikelgrößenbereich sowie Marktnachfrage und Angebotsökonomie.

Vor- und Nachteile von kugelförmigem Titanpulver

Tabelle 6: Vergleich der Vor- und Nachteile

Vorteile	Benachteiligungen
Ausgezeichnete Fließfähigkeit für die Automatisierung	Höhere Kosten als andere Formen
Hohe Packungsdichte	Begrenzte Verfügbarkeit sehr großer Formate
Kontrollierte Partikelgrößenverteilung	Erfordert kontrollierte inerte Atmosphäre
Fähigkeit zur Herstellung von nahezu netzförmigen Strukturen	Reaktiv bei hohen Temperaturen
Gut mischbar mit anderen Pulvern	Staubexplosionsgefahr muss beherrscht werden
Erzielt Materialeigenschaften, die der Masse näher kommen

Während kugelförmiges Titanpulver ermöglicht eine größere Prozessflexibilität, erfordert aber auch Vorsichtsmaßnahmen bei der Handhabung zum Schutz vor Entzündung oder Explosion. Die Kosten sind höher als bei anderen Formen wie Feinschwamm.

FAQs

Wie hoch ist der typische Reinheitsgrad von kugelförmigem Titanpulver?

Bei Reintitanpulvern liegt der Reinheitsgrad bei einem Mindesttitangehalt von 99,5% gemäß den ASTM-Normen. Bei Legierungen wie Ti-6Al-4V liegt der Titangehalt bei über 90% mit spezifischen Bereichen für andere Elemente.

Welcher Größenbereich ist für die additive Fertigung am besten geeignet?

Für die meisten Titanpulver-Bettfusionsverfahren liegt der ideale Partikelgrößenbereich zwischen 45 und 100 Mikrometern. Kleinere Größen haben einen schlechten Fluss, während größere Größen die Auflösung beeinträchtigen. Normen wie ASTM F3049 enthalten Spezifikationen.

Beeinflusst die Kugelform die Eigenschaften der gedruckten Teile?

Ja, kugelförmige Partikel ergeben Drucke mit höherer Dichte und besserer Bindung zwischen den Partikeln, was zu besseren mechanischen Eigenschaften führt. Die Teile können Eigenschaften erreichen, die denen von massivem Titan nahe kommen.

Wie hoch ist die typische Produktionskapazität für kugelförmiges Titanpulver?

Die Kapazitäten der führenden Hersteller von sphärischem Titanpulver reichen derzeit von einigen hundert Tonnen pro Jahr bis zu über 2000 Tonnen pro Jahr. Es wird erwartet, dass die Kapazitäten erheblich ausgeweitet werden, um dem Wachstum der Metall-AM zu entsprechen.

Wie wird der Preis für kugelförmiges Titanpulver bestimmt?

Die Preisgestaltung hängt von der Zusammensetzung des Pulvers, dem Partikelgrößenbereich, der Produktionsmethode, dem Auftragsvolumen und den Marktbedingungen ab. Kleinere Größen (<45 μm) sind in der Regel 20-30% teurer als größere Größen, da die Verarbeitung schwieriger und die Nachfrage größer ist.

Schlussfolgerung

Sphärisches Titanpulver hat gegenüber anderen Formen von Titanpulvern deutliche Vorteile in Bezug auf Fließfähigkeit, Packungsdichte und Wiederholbarkeit bei der automatisierten Pulververarbeitung. Dies ermöglicht die Herstellung von nahezu endkonturierten Bauteilen mit hervorragenden Eigenschaften.

Verschiedene Gaszerstäubungstechniken ermöglichen die maßgeschneiderte Herstellung von Titanlegierungen und Partikelgrößenverteilungen für Herstellungsverfahren wie den 3D-Metalldruck, die auf der Pulverbettschmelztechnologie basieren.

Trotz höherer Preise führen die Vorteile der sphärischen Morphologie zu einer zunehmenden Verbreitung in allen Branchen, um die Anwendungsmöglichkeiten von Titanmetall über die konventionelle Verarbeitung hinaus zu erweitern. Die Entwicklung geht weiter und verbessert die Größenverteilung und die Legierungszusammensetzung, um die Eigenschaften weiter zu verbessern.

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Häufig gestellte Fragen (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
Sphärizität	≥90–95%	SEM-Bildanalyse
Scheinbare Dichte	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
Vorlaufzeit	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.

Expertenmeinungen

• 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