Poudre d'impression 3D à base de titane

Vue d'ensemble

Le titane est un métal structurel solide et léger qui est de plus en plus utilisé dans la fabrication additive dans les secteurs de l'aérospatiale, de la médecine, de l'automobile et de l'industrie. Les poudres d'alliage de titane telles que le Ti-6Al-4V permettent d'imprimer en 3D des pièces complexes offrant une grande solidité, une résistance à la corrosion et une biocompatibilité.

La fusion sélective par laser (SLM) et la fusion par faisceau d'électrons (EBM) permettent de transformer une fine poudre de titane en composants entièrement denses avec des conceptions complexes impossibles à réaliser par usinage ou moulage. Ce guide couvre les compositions des alliages de titane, les données sur les propriétés, les applications, les paramètres de l'imprimante et les fournisseurs afin de tirer parti des avantages de l'impression 3D de métaux.

Composition des poudres d'impression de titane

Les alliages de titane comprennent principalement du titane avec d'autres éléments d'alliage comme l'aluminium, le vanadium, le fer, le molybdène et d'autres pour améliorer les propriétés spécifiques. Les qualités de titane les plus courantes pour l'AM sont les suivantes

• Ti-6Al-4V (Grade 5) est l'alliage de titane le plus populaire, sa résistance provenant de la stabilisation +Al et du durcissement par précipitation +V. Une variante à très faible interstitiel (ELI) présente une ductilité élevée.
• L'alliage Ti 6242 remplace une partie du vanadium pour le rendre plus adapté aux implants orthopédiques biocompatibles nécessitant une ostéointégration.
• Les oligo-éléments tels que le fer, l'oxygène, l'azote et le carbone sont réduits au minimum car ils ont un impact négatif sur les propriétés mécaniques s'ils sont présents au-delà des limites spécifiées.

Propriétés des poudres d'impression métal-titane

Les principales propriétés des matériaux qui rendent les alliages de titane attrayants pour les avions et les produits médicaux sont les suivantes :

• La résistance élevée par rapport à la faible densité (la moitié de celle de l'acier) rend les composants en titane plus légers. La résistance dépasse celle des alliages d'aluminium courants tout en évitant les problèmes de corrosion.
• Suffisamment ductile pour être transformé à froid. Les variantes à très faible interstitiel comme Ti64 ELI augmentent encore l'allongement.
• La fusion dépasse 1600°C. Conserve ses propriétés à 400-500°C.
• Les conductivités thermique et électrique sont assez faibles pour éviter les étincelles et isoler la chaleur.

Applications des pièces métalliques en titane imprimées en 3D

Aérospatiale

• Supports structurels de la cellule, nervures, roues et raccords
• Boîtiers de turbocompresseurs et échangeurs de chaleur allégés
• Canaux de refroidissement conformes intégrés dans les sections de turbines de moteurs à réaction
• Cadres de drones sur mesure conformes aux composants

Médical et dentaire

• Implants orthopédiques du genou, de la hanche, de la colonne vertébrale et de la mâchoire, tels que les cupules acétabulaires
• Piliers dentaires pour couronnes et bridges
• Plaques de reconstruction crânienne personnalisées en fonction de l'anatomie du patient

Automobile

• Supports de carter de moteur et éléments de suspension
• Refroidissement conformationnel à contour étroit intégré dans les moules d'injection
• Disques de frein légers avec géométrie complexe des flux d'air

Paramètres du processus d'impression 3D du titane

Paramètres clés lors de l'utilisation de poudre de titane dans les processus de fusion sur lit de poudre :

Paramètres LPBF

Paramètres EBM

Le LPBF nécessite des structures de soutien alors que l'EBM fabrique du métal sans assistance. La densité ≥99% est obtenue après détente et pressage isostatique à chaud. Les épaisseurs de paroi minimales atteignent généralement 100 à 150 microns.

Fournisseurs de poudres d'impression de titane

Les principales entreprises de fabrication de métaux ont certifié les poudres de titane pour les processus additifs :

Coût des poudres d'impression de titane

En tant qu'alliage léger avancé pour les applications de haute performance, la poudre de titane est très prisée :

• Les prix des matériaux varient de $200 à $500 par kg.
• Les alliages sur mesure avec des tailles de particules plus étroites et une pureté élevée augmentent encore les coûts.
• La poudre recyclée est moins chère si elle s'écoule bien.

Post-traitement des pièces en titane imprimées en 3D

Après l'impression, les composants en titane subissent :

Suppression du support - Séparer soigneusement les supports par découpage EDM là où c'est possible, casser les petits éléments

Déstressant - Traitement thermique doux à 650°C pendant 2 heures sous argon pour réduire les contraintes résiduelles.

Pressage isostatique à chaud - Procédé HIP à 920°C et 100 MPa pendant 3 heures pour fermer les vides internes >99% densité

Traitement des solutions - Trempe à 705°C pendant 1 heure puis trempe air/eau pour développer la microstructure souhaitée.

Usinage - Fraisage CNC des surfaces d'accouplement critiques pour répondre aux besoins de tolérance dimensionnelle

Sablage + gravure à l'acide - Grenaillage d'alumine suivi d'un décapage à l'acide pour nettoyer les surfaces

Tests de qualité - Confirmer que la chimie, la microstructure, la qualité couche par couche et les propriétés mécaniques sont conformes aux spécifications.

Normes pour l'impression 3D du titane

Perspectives d'avenir pour l'impression sur lit de poudre à l'aide de titane

Si l'aérospatiale est actuellement le moteur de la demande grâce à la consolidation des pièces et aux économies de poids, l'adoption de l'AM du titane s'accélérera dans l'automobile, les articles de sport et d'autres secteurs de consommation à mesure que les coûts diminueront. Parmi les autres applications imprimées du titane, on peut citer

Aérospatiale - Des structures primaires plus grandes et entièrement imprimées, telles que les pales de turbines et les futures sections de cabines de passagers, tirant parti de la complexité de la conception, de la consolidation de l'assemblage des pièces et de la résistance à la corrosion.