Pulver aus Titanlegierungen: Zusammensetzung, Herstellung und Anwendungen

Pulver aus Titanlegierungen enthalten Titan als Hauptelement in Kombination mit anderen Metallen wie Aluminium, Vanadium oder Eisen. Die Legierungszusammensetzung verleiht verbesserte Eigenschaften für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, bei medizinischen Geräten und mehr.

Arten von Titanlegierungspulvern

Gängige Titanlegierungsformulierungen in Pulverform:

Legierung	Ti Inhalt	Andere Elemente	Wichtige Eigenschaften
Ti-6Al-4V	90%	6% Al, 4% V	Hohe Festigkeit, geringe Dichte
Ti-6Al-7Nb	90%	6% Al, 7% Nb	Biokompatibilität, Korrosionsbeständigkeit
Ti-10V-2Fe-3Al	82%	10% V, 2% Fe, 3% Al	Hitzebeständigkeit, gehärtet
Ti-3Al-2,5V	93%	3% Al, 2,5% V	Festigkeit bei erhöhter Temperatur

• Titanlegierungen mit Aluminium, Vanadium, Eisen und Niob sorgen für ein Gleichgewicht von Härte, Festigkeit und Dichte
• Spezifische Elemente stimmen die mechanischen, physikalischen und biologischen Eigenschaften auf die Zielanwendungen ab
• Die Mischungen optimieren das Verhalten bei hohen Temperaturen, das Verschleißverhalten, die Schweißbarkeit usw.
• Aluminium stabilisiert die Kristallstruktur des Titans und verbessert die Verarbeitbarkeit; Vanadium erhöht die Festigkeit

So lassen sich durch maßgeschneiderte Kombinationen von Metallen in Titanlegierungen anwendungsspezifische Funktionseigenschaften erzielen.

Produktion von Titanlegierungspulver

Übliche Verfahren zur Herstellung von Titanlegierungspulvern:

Methode	Prozess	Beschreibung	Partikeleigenschaften
Gaszerstäubung	Schmelzstrahl trifft auf Gasdüsen	Schnelle Abkühlung bildet kugelförmige Partikel	Ausgezeichnete Fließfähigkeit
Plasma-Zerstäubung	Plasma mit höherer Temperatur schmilzt Legierungen	Herstellung sehr feiner sphärischer Pulver	Sub-Mikron-Größen
Hydrid-Dehydrid	Zerkleinerung in der Hydridphase	Unregelmäßige spröde Partikel aus Hydriden	Mäßige Strömung
Mechanisches Legieren	Pulverpartikel Verformung geschweißt	Kompositstruktur mit feiner Körnung	Schlechter Fluss

• Gas- und Plasmazerstäubung erzeugen feine, kugelförmige Legierungspulver, die für die additive Fertigung geeignet sind
• Hydrid-Dehydrid-Methode zerkleinert spröde Hydridphase in kleine Partikel
• Mechanisches Legieren schweißt kleinere Partikel durch Verformung zu Verbundaggregaten zusammen

So ermöglichen verschiedene Techniken maßgeschneiderte Partikelgrößen, Formen und interne Mikrostrukturen von Titanlegierungen.

Anwendungen von Titanlegierungspulver

Pulver aus Titanlegierungen ermöglichen hochleistungsfähige Teile in allen Bereichen:

Sektor	Anmeldung	Verwendete Eigenschaften
Luft- und Raumfahrt	Turbinenschaufeln, Teile der Flugzeugzelle	Hohe spezifische Festigkeit
Industriell	Ausrüstung für die Lebensmittelverarbeitung	Korrosionsbeständigkeit
Automobilindustrie	Pleuelstangen, Ventile	Hitzebeständigkeit
Biomedizinische	Implantate, Prothetik	Biokompatibilität
Verteidigung	Materialien für die Rüstung	Ballistischer Schutz
Additive Fertigung	3D-gedruckte Teile	Druckbarkeit

• Leichte Festigkeit ermöglicht Treibstoffeinsparungen in Flugzeugen und Fahrzeugen mit Titanbauteilen
• Bioneutrale Implantate aus einer Titanlegierung werden vom menschlichen Körper nicht abgestoßen
• Korrosionsbeständigkeit passt zu aggressiven Chemikalien in Industrieanlagen
• Maßgeschneiderte Legierungen schaffen kundenspezifische Titangüten für jede Anwendung

So ermöglichen maßgeschneiderte Titanlegierungspulver eine fortschrittliche Fertigung in verschiedenen anspruchsvollen Branchen.

Spezifikation von Titanlegierungspulver

Wichtige Qualitätskennzahlen für Titanlegierungspulver:

Parameter	Typische Werte	Prüfverfahren
Zusammensetzung der Legierung	Gewichtsprozent der Elemente	ICP-Spektroskopie
Partikelgrößenverteilung	Reichweite und durchschnittliche Größe	Laserbeugung
Scheinbare Dichte	Bis zu 85% an echter Dichte	Scott-Volumenzähler
Dichte des Gewindebohrers	Bis zu 95% an echter Dichte	Gemessen durch Abklopfen
Partikelform	Sphärizität, Glattheit	SEM-Bildgebung
Durchsatz des Pulvers	Schüttwinkel, Hall-Durchflussmesser	Standard-Testtrichter/Behälter

• Die Überprüfung der Zusammensetzung bestätigt den prozentualen Anteil von Titan, Aluminium, Vanadium usw.
• Die Partikelgrößenverteilung gewährleistet die Eignung für den vorgesehenen Herstellungsprozess
• Die Dichte gibt die Packungseffizienz und die Porosität an
• Die Partikelform beeinflusst die Anwendungsleistung und die Handhabung des Pulvers
• Durchflussmengen qualifizieren die Eignung für automatischen Transport und Dosierung

Diese Kennzahlen tragen dazu bei, dass das gekaufte Titanlegierungspulver den Anforderungen der Anwendung entspricht.

Vergleich der Titanlegierungspulverarten

Wie schneiden einige Titanlegierungen ab?

Legierung	Ti-6Al-4V	Ti-6Al-7Nb	Ti-10V-2Fe-3Al
Dichte	4,43 g/cc	4,52 g/cc	4,38 g/cc
Zugfestigkeit	128 ksi	126 ksi	115 ksi
Elastizitätsmodul	16 msi	10 msi	15 msi
Maximale Betriebstemperatur	700°F	750°F	800°F
Biokompatibilität	Mäßig	Ausgezeichnet	Schlecht
Kosten	Niedrig	Hoch	Mäßig

• Ti-6Al-4V ist das Arbeitspferd unter den Titanlegierungen, das Leistung und Kosten vereint
• Nb- und Ta-Legierungen bieten hervorragende Biokompatibilität für medizinische Anwendungen
• Höhere Vanadium- und Fe-Werte ermöglichen Stabilität bei höheren Temperaturen
• Aluminiumhaltige Legierungen haben ein besseres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht

Jede Titanlegierungsformulierung hat also spezifische vorteilhafte Eigenschaften für bestimmte Anwendungen.

Lieferanten von Titanlegierungspulver

Weltweit führende Hersteller von Titanlegierungspulvern:

Unternehmen	Standort des Hauptquartiers	Grades verfügbar	Produktionskapazität
ATI-Pulvermetalle	US	Ti-6Al-4V, Sonderlegierungen	5.000 metrische Tonnen/Jahr
Tekna	Kanada	Ti-6Al-4V und andere	Nicht veröffentlicht
Hoganas Gruppe	Schweden	Ti-6Al-4V	3.000 metrische Tonnen/Jahr
TLS Technik	Deutschland	TiAl, TiAlNb, Ti-Pulver	Nicht veröffentlicht
CNPC-PULVER	China	Ti-6Al-4V, TiAl	10.000 metrische Tonnen/Jahr

• Das US-amerikanische Unternehmen ATI Powder Metals ist ein weltweit führender Hersteller von Titanlegierungspulvern
• Die schwedische Hoganas-Gruppe betreibt auch eine bedeutende Titanpulverproduktion
• China beherbergt mehrere große Hersteller von Titanlegierungspulver, die sich um weltweite Exporte bemühen
• Kleinere Akteure sind ebenfalls an der wachsenden Titanpulverindustrie beteiligt

Die Lieferkapazitäten werden also weiter ausgebaut, um der steigenden Nachfrage nach Titanlegierungen gerecht zu werden.

Titanlegierungspulver Preisgestaltung

Ungefähre Preise für Titanlegierungspulver:

Legierung	Preisgestaltung pro kg	Partikelgrößenbereich
Ti-6Al-4V	$50 – $150	15 bis 120 Mikrometer
Ti-6Al-7Nb	$250 – $500	5 bis 45 Mikrometer
Ti-10V-2Fe-3Al	$75 – $200	15 bis 63 Mikrometer
Ti-3Al-2,5V	$100 – $150	45 bis 150 Mikrometer

• Die Preise hängen stark von der Abnahmemenge und der spezifischen Partikelgrößenverteilung ab.
• Speziallegierungen und feine medizinische Qualitäten erzielen höhere Preise
• Ti-6Al-4V wird am wirtschaftlichsten im industriellen Maßstab hergestellt
• Verträge über 5-10 Tonnen erhalten ermäßigte Preise

Daher ist Titanlegierungspulver nach wie vor relativ teuer, was die Anwendungen vor allem auf die Luft- und Raumfahrt und den Verteidigungssektor beschränkt.

FAQs zu Titanlegierungspulvern

Frage	Antwort
Welche Farben können Titanlegierungen haben?	Am häufigsten wird natürliches Grau verwendet. Auch färbende Oberflächenbehandlungen werden angewandt.
Müssen die Pulver besonders behandelt werden?	Schutzgasüberlagerung ratsam, um Oxidation bei der Handhabung zu verhindern.
Kann man mit diesen Pulvern kalt sprühen?	Ja, die Verformung der Partikel ermöglicht Beschichtungen mit hoher Haftfestigkeit.
Sind Titanlegierungen nichtmagnetisch?	Ja, alle Sorten haben eine sehr geringe magnetische Permeabilität.
Können diese Pulver sicher mit dem Flugzeug verschickt werden?	Ja, keine Beförderungsbeschränkungen, außer bei sehr feinen reaktiven Pulvern.

Titanlegierungspulver eignen sich daher gut für die meisten Verfahren zur Handhabung, Verarbeitung und Beschichtung von Metallpulvern.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Titanlegierungspulver die nötige Flexibilität für ein ausgewogenes Verhältnis von Dichte, Festigkeit, Modul und Biokompatibilität bieten, um den Anforderungen der modernen Technik in verschiedenen Branchen gerecht zu werden. Die Herstellungstechniken verleihen maßgeschneiderte Partikeleigenschaften. Die Legierungsformulierung ermöglicht eine individuelle Abstimmung der Eigenschaften. Trotz des relativ hohen Preises von über $50/kg bietet Titanlegierungspulver eine höhere Leistung in den Bereichen Verteidigung, Medizin, Luft- und Raumfahrt und Automobilbau, in denen die Leistung der Komponenten wichtiger ist als Kostenüberlegungen.

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Additional FAQs about Titanium Alloy Powders (5)

1) What powder characteristics most influence additive manufacturing quality?

• Particle size distribution (e.g., 15–45 µm for PBF), high sphericity (>0.9), low satellites, narrow D10–D90 spread, low interstitials (O, N, H), and good flow (Hall flow ≤25 s/50 g). These drive layer packing, laser absorption, density, and fatigue.

2) How many reuse cycles are acceptable for Ti-6Al-4V powder in PBF?

• Typically 5–15 cycles with sieving and 20–50% virgin top-up per cycle. Monitor O/N/H, PSD, and flowability per ISO/ASTM 52907; requalify if oxygen trends toward spec limits (e.g., ≤0.20 wt% O for many AM grades) or density/fatigue drifts.

3) Which production method is best for medical-grade titanium alloy powders?

• Plasma atomization and electrode/plasma rotating electrode (PREP) produce highly spherical, low-oxide powders favored for implants. They support tight PSDs and lower inclusion content compared to HDH for PBF applications.

4) What post-processing is typical for AM Ti-6Al-4V parts?

• Stress relief (e.g., 650–800°C), hot isostatic pressing (HIP 900–930°C/100–150 MPa/2–4 h), and heat treatment per ASTM F3001/AMS 4999 equivalents. HIP improves fatigue by closing internal porosity.

5) How do oxygen and nitrogen affect properties of Titanium Alloy Powders and parts?

• Interstitials increase strength/hardness but reduce ductility and fatigue life. Maintain low O/N in powder and control pickup during reuse and processing; use inert handling and dry environments.

2025 Industry Trends for Titanium Alloy Powders

• Tighter interstitial control: Aerospace/medical buyers specify lower O (≤0.12–0.18 wt%) and N (≤0.03 wt%) for fatigue- and implant-critical builds.
• Powder genealogy and EPDs: Digital material traceability from melt to build, plus Environmental Product Declarations covering recycle rates and energy per kg.
• AM allowables expansion: More published design allowables for Ti‑6Al‑4V (ELI) and Ti‑6Al‑7Nb across laser PBF and EBM, aligned to ASTM F42 frameworks.
• Binder Jetting and MIM convergence: Fine Ti and Ti alloy powders with tailored binders enable BJ/MIM routes for cost-sensitive components, with HIP to achieve fatigue targets.
• Capacity additions stabilize price: New atomization/PREP lines in NA/EU/Asia shorten lead times for aerospace PSDs (15–45 µm) and medical grades (10–38 µm).

2025 snapshot: Titanium Alloy Powders metrics

Metrisch	2023	2024	2025 YTD	Notes/Sources
Typical PSD for PBF (µm, Ti-6Al-4V)	15–53	15–45	15–45	OEM datasets, supplier catalogs
Oxygen spec (wt%, AM grade)	≤0,20	≤0.15–0.18	≤0.12–0.18	ISO/ASTM 52907, buyer specs
As-built density (laser PBF, %)	99.3–99.7	99.4–99.8	99.5–99.85	Parameter/machine dependent
UTS after HIP (MPa, Ti-6Al-4V ELI)	920–980	930–1000	940–1020	ASTM F3001 ranges; vendor data
Powder price (USD/kg, Ti-6Al-4V AM grade)	80–180	85–190	85–185	PSD, sphericity, volume affect
Avg reuse cycles (with SPC)	6–10	8–12	10-15	With sieving and top-up

Referenzen:

• ISO/ASTM 52907 (metal powder), 52900/52930 (AM fundamentals/qualification): https://www.iso.org
• ASTM F42 standards (F3001 for Ti‑6Al‑4V ELI, F2924 for Ti‑6Al‑4V): https://www.astm.org
• NIST AM resources and data programs: https://www.nist.gov

Latest Research Cases

Case Study 1: Low-Oxygen Ti‑6Al‑4V Powder Improves Fatigue of L-PBF Flight Brackets (2025)
Background: An aerospace Tier‑1 targeted longer HCF life on L‑PBF brackets without changing geometry.
Solution: Switched to low‑O AM powder (≤0.13 wt%), implemented closed-loop sieving/top-up tracking, HIP at 920°C/100 MPa/3 h, and surface finishing to Ra ≤1.5 µm.
Results: As-built density 99.8%; UTS 970–1005 MPa post‑HIP; HCF life +22% at R=0.1; powder oxygen remained ≤0.15 wt% after 12 reuse cycles; scrap reduced 8%.

Case Study 2: EBM Ti‑6Al‑7Nb Cups and Stems for Orthopedics with Validated Porous Lattices (2024)
Background: An implant OEM needed osseointegration and reproducible mechanicals for acetabular cups.
Solution: EBM-printed Ti‑6Al‑7Nb with controlled lattice porosity (55–65%), validated per ASTM F3001/F2924 analogs and ISO 10993 biocompatibility; final HIP to stabilize fatigue.
Results: Shear strength of porous interface +18% vs prior design; fatigue endurance at 10 million cycles met internal spec; CT-based porosity within ±3% of target; zero adverse biocompatibility outcomes.

Expertenmeinungen

• Prof. Hamish L. Fraser, The Ohio State University
  Key viewpoint: “Powder cleanliness and interstitial control dominate fatigue performance in AM titanium alloys—HIP helps porosity but not nonmetallic inclusions.”
• Dr. Laura Ely, SVP Technology, 3D Systems
  Key viewpoint: “Disciplined powder lifecycle management—oxygen trending, PSD control, and batch genealogy—underpins consistent properties for Titanium Alloy Powders in serial production.”
• Prof. Peter D. Lee, University College London
  Key viewpoint: “Process–structure modeling coupled with in-situ monitoring is making near-net prediction of defects and microstructure feasible for titanium AM routes.”

Citations: University/OEM publications and conference talks: https://mse.osu.edu, https://www.3dsystems.com, https://www.ucl.ac.uk

Practical Tools and Resources

• Standards and specifications:
• ASTM F3001 (Ti‑6Al‑4V ELI AM), ASTM F2924 (Ti‑6Al‑4V), ISO/ASTM 52907 (powder): https://www.astm.org, https://www.iso.org
• Property data and handbooks:
• ASM Handbooks Online (Ti alloys), MMPDS for aerospace allowables: https://www.asminternational.org, https://mmpds.org
• AM process control:
• ASTM F3301 (PBF process control), ISO/ASTM 52930 (qualification): standards portals above
• Powder and materials suppliers:
• Carpenter Additive, Sandvik Osprey, AP&C, Tekna—datasheets with PSD/interstitials
• Modeling and QA:
• Ansys Additive/Netfabb Simulation for distortion/HIP; CT NDE practice (ASTM E1441)

Notes on reliability and sourcing: Specify melt route (e.g., VAR for medical/aero), interstitial limits, PSD, and morphology. Implement SPC on O/N/H and flow, define reuse policies, and maintain lot/build traceability. For critical hardware, include HIP, CT acceptance criteria, and statistically planned coupon testing aligned to end-use standards.

Last updated: 2025-10-15
Changelog: Added 5 targeted FAQs, 2025 trend table with metrics/sources, two recent case studies, expert viewpoints with citations, and a practical tools/resources section specific to Titanium Alloy Powders
Next review date & triggers: 2026-02-15 or earlier if ISO/ASTM standards update, major suppliers change interstitial specs/prices, or new allowables for Ti-6Al-4V/Ti-6Al-7Nb AM are published