Pulver aus Titanlegierungen: Eigenschaften, Herstellung und Anwendungen

Pulver aus Titanlegierungen sind hochentwickelte technische Werkstoffe, die wegen ihres guten Verhältnisses zwischen Festigkeit und Gewicht, ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihrer Biokompatibilität geschätzt werden. Dieser Artikel bietet einen Überblick über die Pulvermetallurgie von Titanlegierungen, Herstellungsverfahren, Zusammensetzungen, mechanische Eigenschaften, branchenübergreifende Anwendungen und die Anbieterlandschaft.

Überblick über Titanlegierungspulver

Titanlegierungspulver besteht aus Titan, das mit anderen metallischen Elementen wie Aluminium, Vanadium, Eisen und Molybdän vermischt ist. Die Pulver werden durch Gaszerstäubung und andere Verfahren zu feinen, kugelförmigen Partikeln verarbeitet.

Diese fortschrittlichen Pulver werden zur Herstellung von Hochleistungskomponenten durch pulvermetallurgische Verfahren wie Metallspritzguss, additive Fertigung und heißisostatisches Pressen verwendet. Aus Titanlegierungspulvern hergestellte Teile weisen im Vergleich zu solchen aus unlegiertem Titan bessere mechanische Eigenschaften auf.

Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften wie hohe Festigkeit, geringe Dichte, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität eignen sich Pulver aus Titanlegierungen für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizin, im Automobilbau, in der Chemie und im Konsumgüterbereich.

Vorteile von Titanlegierungspulver:

• Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht
• Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit
• Bioinert und biokompatibel
• Fähigkeit zur Anpassung der Eigenschaften durch Zusammensetzungen
• Net-shape Herstellbarkeit in Komponenten
• Kosteneinsparungen durch Pulvermetallurgie

Herausforderungen mit Titanlegierungspulver:

• Hohe Materialkosten
• Reaktivitätsprobleme bei der Handhabung und Verarbeitung
• Beschränkungen bei den erreichbaren Eigenschaften
• Anforderung für kontrollierte Atmosphären
• Geringere Duktilität als konkurrierende Legierungen

Zusammensetzungen von Titanlegierungspulver

Titanlegierungen werden je nach dem Gefüge, das sie nach der Verarbeitung bilden, in die Kategorien Alpha, Alpha-Beta und Beta eingeteilt. Die Legierungselemente, ihre Konzentrationen und die thermomechanischen Behandlungen bestimmen die Gefügephasen.

Häufige Legierungselemente in Titanlegierungspulver:

• Aluminium (Al)
• Vanadium (V)
• Eisen (Fe)
• Molybdän (Mo)
• Zinn (Sn)
• Zirkonium (Zr)
• Niobium (Nb)

Auswirkungen von Legierungselementen:

• Aluminium (Al) - Verbessert die Festigkeit und verringert die Dichte
• Vanadium (V) - Stärkt die Alpha- und Betaphasen
• Eisen (Fe) - Erhöht die Festigkeit und Duktilität
• Molybdän (Mo) - Verstärkt die Legierung bis zu 500°C
• Zinn (Sn) - Verbessert die Kriechstromfestigkeit
• Zirkonium (Zr) - Kornfeinung
• Niobium (Nb) - Verhindert die Bildung von Alphakästen

Übliche Zusammensetzungen von Titanlegierungspulver:

Legierung	Wesentliche Elemente	Phasen	Eigenschaften
Ti-6Al-4V (Klasse 5)	Al: 6%, V: 4%	Alpha + Beta	Hervorragende Festigkeit, mäßige Duktilität, wärmebehandelbar, am häufigsten verwendete Legierung
Ti-6Al-7Nb	Al: 6%, Nb: 7%	Nahe Alpha	Hohe Zugfestigkeit, bioinert, Verwendung in medizinischen Implantaten
Ti-10V-2Fe-3Al	V: 10%, Fe: 2%, Al: 3%	Beta	Titanlegierung mit höchster Festigkeit, geringe Duktilität, schwierig zu bearbeiten
Ti-13V-11Cr-3Al	V: 13%, Cr: 11%, Al: 3%	Alpha + Beta	Hervorragende Warmhärte und Kriechfestigkeit bis zu 400°C

Auswirkungen der Zusammensetzung auf die Eigenschaften:

• Ein steigender Al-Gehalt erhöht die Zugfestigkeit und verringert die Dichte
• Zusatz von V, Mo, Cr verbessert die Hochtemperaturfestigkeit
• Fe-Zusatz erhöht die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur
• Sn verbessert die Kriechfestigkeit der Legierung
• Zr und Nb helfen bei der Kontrolle der Kornstruktur

Produktionsmethoden für Titanlegierungspulver

Titanlegierungspulver wird durch fortschrittliche Verfahren hergestellt, die aus den geschmolzenen Legierungen feine kugelförmige Pulver erzeugen. Zu den gebräuchlichsten Herstellungsverfahren gehören die Gaszerstäubung, das Verfahren mit rotierenden Plasmaelektroden (PREP) und die Plasmazerstäubung.

Gaszerstäubung

• Hochdruck-Inertgasdüsen zerlegen den geschmolzenen Metallstrom in feine Tröpfchen
• Erzeugt Pulver zwischen 10 Mikron und 250 Mikron
• Die am weitesten verbreitete und wirtschaftlichste Methode
• Pulver haben unregelmäßige Formen und enthalten Satelliten

Plasma-Rotations-Elektroden-Verfahren (PREP)

• Schleuderelektrode zersetzt Legierung mit Plasmabrennern
• Erzeugt sehr kugelförmige und glatte Pulver
• Ausgezeichnete Kontrolle über Pulvergröße und -verteilung
• Verwendet für reaktive und hochschmelzende Legierungen

Plasma-Zerstäubung

• Elektrischer Lichtbogen oder Plasma erhitzt und zerstäubt die Legierung in Tröpfchen
• Erzeugt hochsphärische Pulver mit guter Fließfähigkeit
• Geeignet für die Kleinserienproduktion von feinen Pulvern unter 63 Mikrometern

Sekundäre Verarbeitung

Die as-atomisierten Pulver werden einer Nachbehandlung unterzogen, um die Pulvereigenschaften zu verbessern:

• Siebung in feine Partikelgrößenverteilungen
• Konditionierung zur Entfernung von Satelliten und Minimierung der Agglomeration
• Mischen von elementaren Pulvern oder Vorlegierungspulvern zur Erreichung von Zielzusammensetzungen

Überlegungen zur Handhabung

• Titanlegierungspulver sind pyrophor (entflammbar) und erfordern kontrollierte Umgebungen mit einem Sauerstoff- und Feuchtigkeitsgehalt unter 50 ppm während der Lagerung, Verarbeitung und Handhabung. Als inertes Schutzgas wird in der Regel Argon verwendet.

Mechanische Eigenschaften von Titanlegierungspulver

Zugfestigkeitseigenschaften

Titanlegierungen weisen im Vergleich zu unlegiertem Titan höhere Zugfestigkeitseigenschaften auf, die von ihrer Zusammensetzung und Verarbeitungsgeschichte abhängen.

Legierung	Endgültige Zugfestigkeit (MPa)	Streckgrenze (MPa)	Dehnung (%)
CP Titan Grad 1	240-550	170-480	20-25
Ti-6Al-4V ELI Güte 23	860-965	795-875	10-15
Ti-6Al-7Nb Güte 26	900-1000	825-900	15-20
Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn Güteklasse 18	900-1000	800-900	8-14

Auswirkungen von Legierungselementen:

• Aluminium verbessert die Festigkeit durch Mischkristallverfestigung
• Zusätze von V, Mo, Nb, Ta erhöhen die Hochtemperaturfestigkeit
• Eisen erhöht die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur

Ermüdung und Brucheigenschaften

Die Ermüdungsfestigkeit und Bruchzähigkeit nehmen mit höheren Konzentrationen von Beta-Stabilisatoren wie Molybdän und Vanadium ab. Thermomechanische Behandlungen können zur Optimierung der Kombination von Festigkeit, Duktilität, Ermüdung und Brucheigenschaften eingesetzt werden.

Industrielle Anwendungen von Titanlegierungspulver

Aufgrund ihrer hervorragenden Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Härte und Biokompatibilität eignen sich Titanlegierungen für kritische Anwendungen in verschiedenen Branchen.

Luft- und Raumfahrtindustrie

• Hydraulische Systeme für Flugzeuge
• Treibstofftanks für Raumfahrzeuge
• Komponenten der Flugzeugzelle und des Fahrwerks
• Triebwerksteile wie Kompressorschaufeln, -scheiben und -gehäuse

Medizinische und zahnmedizinische Industrie

• Orthopädische Implantate wie Hüftgelenke, Knochenplatten und Schrauben
• Chirurgische Instrumente und Bioimplantate
• Kieferorthopädische Drähte
• Zahnimplantate

Autoindustrie

• Pleuelstangen, Einlassventile, Ventilfederteller
• Motorrad- und Rennsportkomponenten
• Teile der Auspuffanlage

Chemische Industrie

• Wärmetauscher, Kondensatoren und Rohrleitungen
• Prozessausrüstung für Korrosionsbeständigkeit
• Entsalzungsanlagen und Anlagen zur Bekämpfung der Umweltverschmutzung

Verbraucherindustrie

• Uhren und Schmuck
• Sportgeräte wie Fahrradrahmen, Golfschläger, Lacrosse-Schläger
• Brillengestelle, Körperpiercings und Ringe

Andere Anwendungen

• Marine - Propeller, Sonarkuppeln, Entsalzungsanlagen
• Stromerzeugung - Komponenten von Dampf- und Gasturbinen
• Architektur - Dekorative Fassadenelemente, Geländer, Dächer

Aufgrund des ausgezeichneten Verhältnisses zwischen Festigkeit und Gewicht eignen sich Titanlegierungen auch als Ersatz für Stahl- und Aluminiumbauteile in allen Industriezweigen.

Spezifikationen und Normen

Titanlegierungspulver werden nach ASTM-Normen hergestellt, in denen die zulässigen Gehalte an Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und Eisen für die verschiedenen Sorten festgelegt sind.

Standard	Umfang
ASTM B348	Spezifikation für Stangen und Knüppel aus Titan und Titanlegierungen
ASTM B939	Prüfverfahren für Pulver aus Titanlegierungen
ASTM F67	Spezifikation für Stäbe aus unlegiertem Titan für chirurgische Implantate
ASTM F1472	Spezifikation für geschmiedetes Titan 6Al-4V ELI für chirurgische Implantate

Lieferanten von Titanlegierungspulver

Pulver aus Titanlegierungen werden von speziellen Metallpulverherstellern geliefert, die verschiedene Qualitäten herstellen, die auf industrielle Anwendungen zugeschnitten sind.

Die wichtigsten Hersteller von Titanlegierungspulver:

Unternehmen	Produktionskapazität	Legierungen
AMETEK	5.000 Tonnen jährlich	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-13V-11Cr-3Al
AP&C	7.500 Tonnen jährlich	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-555, Ti-1023
Tekna	3.500 Tonnen jährlich	Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-7Nb
Zimmerer-Technologien	3.000 Tonnen jährlich	Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al
Praxair	4.000 Tonnen jährlich	CP Ti, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb

Wichtige Händler für Titanlegierungspulver:

• Atlantic Ausrüstungsingenieure
• Micron Metalle
• TLS Technik
• Globales Titan

Kostenanalyse

Pulver aus Titanlegierungen liegen zwischen $$$/kg bis $$$$/kg je nach Zusammensetzung, Produktionsmethode, Form, Größenverteilung, Qualität, Auftragsvolumen und geografischer Region.

Im Allgemeinen sind Pulver, die durch vakuumbasierte Verfahren (Plasma-Zerstäubung, PREP) hergestellt werden, teurer als mit Inertgas zerstäubte Pulver. Feine Pulver medizinischer Qualität unter 45 Mikrometer sind teurer.

Möglichkeiten zur Kosteneinsparung:

• Verwendung von preiswerterem Ti-6Al-4V anstelle von Premium-Legierungen
• Ersetzen von Titan durch Edelstahl oder Aluminiumlegierungen
• Einsatz der additiven Fertigung im Vergleich zur CNC-Bearbeitung
• Kaufen Sie in großen Mengen und profitieren Sie von Mengenrabatten

Vergleich zwischen Titansorten

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

Eigentum	Ti-6Al-4V	Ti-6Al-7Nb
Zugfestigkeit	895 MPa	980 MPa
Streckgrenze	825 MPa	900 MPa
Dichte	4,43 g/cc	4,52 g/cc
Bio-Trägheit	Mäßig	Hoch
Kosten	Unter	Höher

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

• Ti-6Al-4V hat eine 2-fach höhere Zugfestigkeit und Streckgrenze
• CP Grade 1 bietet eine bessere Dehnbarkeit - 25% Dehnung gegenüber 10-15%
• Ti-6Al-4V ist gewichtsmäßig 45% stärker als CP-Titan
• CP-Titan ist besser formbar und leichter zu bearbeiten als die Legierung

Gas- vs. Plasmazerstäubungsmethoden:

Eigentum	Gaszerstäubung	Plasma-Zerstäubung
Partikelform	Unregelmäßig mit Satelliten	Hochgradig kugelförmig
Sauerstoff-Aufnahme	Mäßig	Niedrigerer Sauerstoffgehalt
Kosten	Unter	Höher
Produktivität	Höher	Unter

Verarbeitungsmethoden für Titanlegierungspulver

Die drei wichtigsten Verfahren zur Herstellung von Titanbauteilen sind die Pulververarbeitung:

Metall-Spritzgießen (MIM)

• Großserienproduktion von kleinen, komplexen Teilen
• Kombination von Kunststoffspritzguss und Metallpulversintern
• Hervorragende Maßhaltigkeit und Oberflächengüte
• Luft- und Raumfahrt und medizinische Anwendungen

Additive Fertigung (AM)

• Direkter 3D-Druck von Bauteilen aus CAD-Daten
• Gestaltungsfreiheit für komplexe, leichte Geometrien
• Weit verbreitet sind Titanlegierungen wie Ti-6Al-4V
• Branchenübergreifend eingesetzt - Medizin, Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie

Heiß-Isostatisches Pressen (HIP)

• Verfestigung von eingekapselten Pulvern durch Wärme und isostatischen Druck
• Erzielt hohe Dichten in komplexen Formen
• Geringe Kosten im Vergleich zur Bearbeitung von Vollmaterial
• Verwendet für Flugzeuge und medizinische Komponenten

FAQs

Welches sind die verschiedenen Grade von Titanlegierungspulver?

Zu den gängigsten Titanlegierungen gehören Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-10V-2Fe-3Al und Ti-13V-11Cr-3Al. Die Gradnummer gibt die Zusammensetzung an - zum Beispiel enthält Ti-6Al-4V 6% Aluminium und 4% Vanadium.

Warum ist Ti-6Al-4V die beliebteste Titanlegierung?

Ti-6Al-4V bietet die beste Kombination aus geringem Gewicht, Korrosionsbeständigkeit, einfacher Herstellung und Kosten. Es hat eine ausgezeichnete Festigkeit in Alpha + Beta Zustand und kann weiter wärmebehandelt werden. Es macht über 50% der gesamten Titanverwendung aus.

Welche Partikelgrößen gibt es bei Titanlegierungspulvern?

Pulver aus Titanlegierungen für die additive Fertigung reichen von 15 bis 45 Mikrometer. Feinere Pulver unter 25 Mikrometer ermöglichen eine höhere Auflösung, sind aber teurer. Für MIM-Anwendungen werden größere Pulvergrößen zwischen 45 und 250 Mikrometern bevorzugt.

Wodurch entzündet sich Titanpulver?

Titanpulver haben eine hohe Affinität zu Sauerstoff und können sich spontan entzünden, wenn sie der Luft ausgesetzt werden. Aufgrund der pyrophoren Eigenschaften ist bei der Handhabung, Lagerung und Verarbeitung eine Inertgasumgebung erforderlich. Auch Feuchtigkeit und Ölrückstände können Brände auslösen.

Warum ist Titanlegierungspulver teuer?

Die Herstellung von Titanlegierungspulver erfordert komplexe Vakuumschmelzverfahren unter inerter Atmosphäre, was es teurer macht als Stähle und Aluminiumlegierungen. Auch die höheren Rohstoffkosten, der Energieverbrauch, die Abfallerzeugung und die geringe Wiederverwendbarkeit des Pulvers tragen zum hohen Verkaufspreis bei.

Welche Branchen verwenden Titanlegierungspulver?

Aufgrund der hohen Festigkeit, des geringen Gewichts und der Korrosionsbeständigkeit werden sie vor allem in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizin- und Zahntechnik, im Automobilbau, in der Schifffahrt, bei Sportgeräten und in der chemischen Verarbeitung eingesetzt. Die Biokompatibilität ermöglicht den Einsatz in chirurgischen Implantaten und kieferorthopädischen Drähten.

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