Polvo de titanio para fabricación aditiva

Titanio en polvo es un material fundamental para imprimir componentes de titanio ligeros y de alta resistencia mediante técnicas de fabricación aditiva como la fusión selectiva por láser (SLM) y la fusión por haz de electrones (EBM). Esta guía ofrece una visión completa de los polvos de titanio para AM.

Introducción al polvo de titanio para AM

El polvo de titanio permite imprimir en 3D piezas de titanio con propiedades excepcionales:

• Elevada relación resistencia/peso
• Excelente resistencia a la corrosión
• Buenas propiedades a altas temperaturas
• Biocompatibilidad para usos médicos
• Reactivo y requiere un tratamiento controlado

Aleaciones comunes de titanio para AM:

• Ti-6Al-4V (Ti64)
• Ti-6Al-7Nb (Ti647)
• Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr (Ti5553)
• Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6-2-4-2)

Características clave del polvo:

• Química y microestructura
• Tamaño y distribución de las partículas
• Forma y morfología de las partículas
• Pureza
• Fluidez y densidad aparente

Ti-6Al-4V Polvo

Ti-6Al-4V es el polvo de aleación de titanio más utilizado en AM:

• Proporciona una excelente combinación de fuerza, ductilidad y resistencia a la corrosión
• La resistencia puede alcanzar los 1300 MPa o más para las piezas AM
• Se funde alrededor de 1600°C y requiere gestión térmica durante la impresión
• Sensible a la captación de oxígeno - requiere atmósfera controlada

Aplicaciones:

• Componentes aeroespaciales y de automoción
• Implantes biomédicos como prótesis ortopédicas de rodilla y cadera
• Piezas para la industria alimentaria y química
• Productos de consumo

Proveedores: AP&C, Tekna, Carpenter Additive, Arcam AB

Ti-6Al-7Nb Polvo

El polvo de Ti-6Al-7Nb proporciona una resistencia superior a la tracción y a la fluencia:

• Alta resistencia de hasta 1500 MPa por endurecimiento por precipitación
• Buena soldabilidad
• Se utiliza como alternativa a las aleaciones tóxicas de vanadio
• Requiere prensado isostático en caliente (HIP) para minimizar los huecos

Aplicaciones:

• Componentes aeroespaciales como fuselajes y turbinas
• Piezas de automovilismo sometidas a grandes esfuerzos
• Implantes dentales y prótesis médicas
• Aplicaciones marinas como barcos y hélices

Proveedores: AP&C, TLS Technik GmbH, Tekna

Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr Polvo

El polvo Ti-5-5-5-3 ofrece una excelente templabilidad y endurecimiento profundo:

• Niveles de resistencia superiores a 1400 MPa
• Mantiene sus propiedades a más de 350°C
• Se utiliza para piezas de titanio difíciles de mecanizar
• Proporciona alta resistencia a la fatiga y a la fluencia

Aplicaciones:

• Trenes de aterrizaje de aeronaves y piezas estructurales
• Componentes de motor y chasis de Fórmula 1
• Discos de motores de turbina y piezas de compresores
• Fijaciones y herrajes aeroespaciales

Proveedores: AP&C, Carpenter Additive, Arcam AB

Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo Polvo

El polvo Ti-6-2-4-2 proporciona una resistencia superior a la erosión por gas caliente:

• Resiste la oxidación y la corrosión hasta 600°C
• Excelente resistencia de hasta 1300 MPa
• Se utiliza para piezas sometidas a gases a alta temperatura
• Requiere prensado isostático en caliente para alcanzar densidades completas

Aplicaciones:

• Palas y álabes de motores de aviación
• Toberas de motores de cohetes
• Componentes de misiles sometidos a flujos de gas caliente
• Componentes de reactores nucleares

Proveedores: AP&C, Tekna, Sandvik Osprey

Titanio de grado 1 y grado 2

Grado 1 y 2 sin alear polvos de titanio proporcionan una excelente resistencia a la corrosión:

• Alta pureza con pocos elementos intersticiales
• Excelente biocompatibilidad
• Baja resistencia en comparación con las aleaciones; unos 380 MPa
• Se utiliza para aplicaciones químicas, marinas y de consumo

Aplicaciones:

• Implantes biomédicos como placas craneales
• Recipientes y tubos de reactores químicos
• Componentes marinos como ejes de hélices
• Equipos de procesamiento de alimentos

Proveedores: AP&C, TLS Technik, Tekna Plasma Systems

Polvos de aluminuro de titanio

Las aleaciones de aluminuro de titanio como Ti4522 imprimen componentes ligeros:

• Baja densidad - 3,7 g/cm3
• Resistencia hasta 1000 MPa
• Excelente resistencia a la corrosión
• Capacidad para altas temperaturas de hasta 750°C
• Difícil de procesar debido a su rápido enfriamiento y solidificación

Aplicaciones:

• Piezas de compresores aeroespaciales
• Ruedas para turbocompresores de automoción
• Camisas de cámara de combustión
• Estructuras de misiles y aeronaves

Proveedores: Kennametal, AP&C, Sandvik

Métodos de producción de polvo de titanio

1. Atomización de gases

• Gas inerte utilizado para atomizar el metal fundido en finas gotitas
• Polvos esféricos ideales para AM, 10-100 micras
• Alta pureza, puede ser caro

2. Atomización por plasma

• Utiliza gas plasma para atomizar el metal fundido
• Formas y tamaños de partículas controlados
• Menor captación de oxígeno que la atomización con gas

3. Hidruro-Dehidruro (HDH)

• El hidruro de titanio triturado se deshidrata
• Formas irregulares, partículas de gran tamaño
• Menor coste, puede tener mayores impurezas

Especificaciones técnicas

Típico polvo de titanio especificaciones para AM:

Controlar la distribución del tamaño de las partículas, la forma, la química y la densidad es fundamental.

Manipulación y almacenamiento del polvo de titanio

Es necesaria una manipulación especial para evitar la oxidación y la captación de humedad:

• Utilizar contenedores y recipientes de transferencia de acero inoxidable
• Manipular el polvo sólo en guanteras de gas inerte
• Utilizar atmósfera de argón de alta pureza
• Evitar la exposición directa al aire y al agua
• Conecte a tierra todo el equipo de manipulación de materiales
• Mantener temperaturas de almacenamiento de -10°C a 30°C
• Congele el lecho de polvo cuando la impresora esté inactiva para evitar la absorción de oxígeno.

Un almacenamiento adecuado prolonga considerablemente la vida útil del polvo de titanio.

Tamizado de polvo

El tamizado se utiliza para obtener una distribución homogénea del tamaño de las partículas:

Beneficios

• Rompe los aglomerados
• Elimina las partículas satélites
• Reduce la probabilidad de defectos
• Mejora el flujo y el empaquetado del polvo

Procedimiento

• Tamizar el polvo a través de una malla fina de unas 20 micras
• Tamizado por rotación o vibración
• Realizar bajo gas de cubierta inerte
• Documentar el porcentaje de peso de polvo restante

El polvo de partida de alta calidad combinado con el tamizado minimiza los defectos de la pieza final.

Proveedores y precios

• Los polvos no aleados de grado 1 y 2 cuestan ~$150-250/kg
• Ti-6Al-4V y Ti-6Al-7Nb cuestan ~$250-450/kg
• Las aleaciones especiales cuestan $500-650/kg

Los precios dependen del volumen del pedido, el nivel de calidad, la microestructura y la morfología.

Instalación y puesta en marcha de la impresora

La instalación de una impresora AM de titanio requiere:

• Limpieza a fondo y comprobación de fugas
• Comprobación de la pureza de los sistemas de argón
• Carga y prueba del sistema de manipulación del polvo
• Calibración y nivelación de la placa de impresión
• Refrigerador integrado, suministro de gas, estación de tamizado
• Programación de los parámetros del proceso
• Impresión de piezas de prueba para validar la calidad

Los proveedores ofrecen asistencia en la instalación para garantizar una configuración ideal de la máquina.

Buenas prácticas de impresión

Funcionamiento de la impresora:

• Mantener niveles de argón de alta pureza
• Control minucioso del baño de fusión y del comportamiento térmico
• Validación de todas las dimensiones críticas
• Sustitución periódica de filtros y consumibles
• Control de los niveles de reutilización del polvo

Seguridad del personal:

• Utilizar EPI, como mascarillas, al manipular polvo
• Evitar el contacto con polvo fino de titanio
• Eliminación adecuada del polvo de titanio usado

Parte de post-procesamiento:

• Retire con cuidado los soportes de las piezas delicadas
• Tratamiento térmico adaptado a la aleación y la aplicación
• Prensado isostático en caliente para mejorar las densidades
• Mecanizado CNC y etapas de acabado si es necesario

Seguir los procedimientos recomendados por el proveedor es fundamental para conseguir piezas impresas sin defectos en aleaciones de titanio.

Mantenimiento e inspección

Se requieren actividades regulares de mantenimiento:

A diario:

• Inspeccionar la óptica en busca de daños y depósitos
• Supervisar los niveles de argón y los sensores de oxígeno
• Comprobar juntas y sensores del sistema de manipulación de polvo
• Limpiar la cámara de impresión y tamizar los residuos de polvo

Semanal:

• Calibración de instrumentos y sensores
• Lubricar e inspeccionar las piezas móviles
• Inspeccione los terminales eléctricos y la conexión a tierra

Mensual:

• Realizar pruebas de estanqueidad en el sistema de argón
• Inspeccionar los dispositivos de seguridad y las alarmas
• Compruebe el estado del filtro y sustitúyalo si es necesario
• Supervisar el estado general del sistema

Anual:

• Programar el mantenimiento preventivo
• Sustitución de consumibles y ópticas
• Inspección y actualización de hardware

El mantenimiento proactivo mejora la fiabilidad y la vida útil de los equipos.

Selección de un sistema de impresión de titanio

Criterios clave de selección de un sistema de impresión 3D de titanio:

1. Requisitos de producción

• Tipos de piezas que deben fabricarse
• Grado del material en función de las propiedades necesarias
• Volúmenes de producción necesarios
• Necesidades de precisión y acabado superficial

2. Especificaciones de la impresora

• Aleaciones compatibles y optimizadas
• Velocidad de fabricación, precisión y repetibilidad
• Control y contención de gases inertes
• Funciones de automatización
• Tamaño y capacidad

3. Sistema de manipulación de polvo

• Integrado o independiente
• Capacidad de tamizado, almacenamiento y reutilización
• Control del oxígeno y la humedad
• Facilidad de manejo y contención

4. Cumplimiento de las normas

• Normas industriales como ASTM F2924
• Certificaciones de calidad del fabricante
• Conformidad CE, FCC

5. Credenciales del proveedor

• Conocimientos especializados en titanio AM
• Asistencia local en ingeniería de aplicaciones
• Se ofrece formación para operadores
• Contratos de mantenimiento y servicio

La evaluación de las opciones en función de estos factores garantiza la selección del sistema ideal de fabricación aditiva de titanio que satisfaga las necesidades de producción.

Ventajas e inconvenientes del titanio AM

Ventajas

• Excelente relación resistencia-peso
• Resistencia a la corrosión, biocompatibilidad
• Reducción de piezas, mejora del rendimiento
• Rápida realización de geometrías complejas
• Diseños personalizados y producción por lotes
• Reduce la chatarra en comparación con el mecanizado
• Consolida conjuntos en una sola pieza

Desventajas

• Elevado coste de material y maquinaria
• Pasos adicionales de postprocesamiento
• Limitación del tamaño máximo de las piezas
• El control de los defectos internos puede ser difícil
• Las propiedades del material pueden variar frente al forjado
• Se requieren conocimientos especializados

Solución de problemas de Titanium AM

Preguntas frecuentes

P: ¿Cómo se manipula con seguridad el polvo de titanio reactivo?

R: Utilizando guanteras y tolvas de gas inerte, evitando la exposición al aire y manteniendo niveles adecuados de argón durante la impresión.

P: ¿Qué tamaño de partícula se utiliza para el polvo de titanio AM?

R: Normalmente de 10 a 45 micras, con un control más estricto en torno a la distribución de 20 a 45 micras.

P: ¿Qué métodos de postprocesamiento se utilizan?

R: Eliminación de soportes, tratamiento térmico, prensado isostático en caliente y mecanizado/pulido de acabado.

P: ¿Qué contaminantes afectan a la reutilización del polvo de titanio?

R: La captación de oxígeno, nitrógeno, hidrógeno y carbono reduce la vida de reutilización. Se requieren procedimientos de manipulación estrictos.

P: ¿Cuántas veces se puede reutilizar el polvo de titanio?

R: Típicamente 20-100 impresiones dependiendo de la aleación, manipulación y almacenamiento. El titanio de grado 23 ofrece una mejor reutilización que el de grado 5.

P: ¿A qué temperatura se tratan térmicamente las piezas de titanio AM?

R: El tratamiento en solución se realiza a 50-100°C por debajo de la temperatura beta transus, seguido de envejecimiento y enfriamiento por aire/horno.

P: ¿Qué normas se aplican al polvo de titanio AM?

A: ASTM B801, ASTM F2924, ASTM F3001, ISO 23304 (en desarrollo).

P: ¿Por qué se utiliza el prensado isostático en caliente?

R: El HIP ayuda a cerrar los huecos internos y a conseguir mayores densidades y mejores propiedades mecánicas.

Conclusión

El polvo de titanio permite imprimir componentes de titanio muy resistentes y ligeros para aplicaciones aeroespaciales, médicas, automovilísticas e industriales avanzadas mediante técnicas de AM como SLM y EBM. Con propiedades superiores a las del titanio convencional, se pueden fabricar geometrías complejas de forma rápida y eficiente. Sin embargo, la manipulación reactiva del polvo, el control de los parámetros del proceso, la formación de los operarios y los procedimientos de cualificación de las piezas son esenciales para obtener resultados sin defectos. A medida que se desarrollen los conocimientos, la AM con polvo de titanio ofrecerá posibilidades sin precedentes para fabricar piezas de titanio personalizadas y de alto rendimiento en plazos de entrega reducidos.

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