Poudre de titane pour la fabrication additive

Poudre de titane est un matériau essentiel pour l'impression de composants en titane très résistants et légers à l'aide de techniques de fabrication additive telles que la fusion sélective par laser (SLM) et la fusion par faisceau d'électrons (EBM). Ce guide fournit une vue d'ensemble des poudres de titane pour l'AM.

Introduction à la poudre de titane pour l'AM

La poudre de titane permet d'imprimer en 3D des pièces en titane aux propriétés exceptionnelles :

• Rapport résistance/poids élevé
• Excellente résistance à la corrosion
• Bonnes propriétés à haute température
• Biocompatibilité pour les utilisations médicales
• Réactif et nécessitant un traitement contrôlé

Alliages de titane courants pour l'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)

Caractéristiques principales de la poudre :

• Chimie et microstructure
• Taille et distribution des particules
• Forme et morphologie des particules
• La pureté
• Fluidité et densité apparente

Poudre Ti-6Al-4V

Ti-6Al-4V est la poudre d'alliage de titane la plus couramment utilisée en AM :

• Offre une excellente combinaison de solidité, de ductilité et de résistance à la corrosion.
• La résistance peut atteindre 1300 MPa et plus pour les pièces AM.
• Fond à environ 1600°C et nécessite une gestion thermique lors de l'impression
• Sensible à l'absorption d'oxygène - nécessite une atmosphère contrôlée

Applications :

• Composants aérospatiaux et automobiles
• Implants biomédicaux tels que les prothèses orthopédiques du genou et de la hanche
• Pièces pour l'industrie alimentaire et chimique
• Produits de consommation

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

Poudre Ti-6Al-7Nb

La poudre de Ti-6Al-7Nb offre une résistance supérieure à la traction et au fluage :

• Haute résistance jusqu'à 1500 MPa grâce au durcissement par précipitation
• Bonne soudabilité
• Utilisé comme alternative aux alliages de vanadium toxiques
• Nécessite un pressage isostatique à chaud (HIP) pour minimiser les vides.

Applications :

• Composants aérospatiaux tels que les cellules et les turbines
• Pièces de sport automobile soumises à de fortes contraintes
• Implants dentaires et prothèses médicales
• Applications marines telles que les navires et les hélices

Fournisseurs : AP&C, TLS Technik GmbH, Tekna

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

La poudre Ti-5-5-5-3 offre une excellente trempabilité et une trempe profonde :

• Les niveaux de résistance dépassent 1400 MPa
• Conserve ses propriétés à plus de 350°C
• Utilisé pour les pièces en titane difficiles à usiner
• Offre une résistance élevée à la fatigue et au fluage

Applications :

• Trains d'atterrissage et pièces de structure d'aéronefs
• Composants de moteurs et de châssis de Formule 1
• Disques de turbines et pièces de compresseurs
• Fixations et quincaillerie pour l'aérospatiale

Fournisseurs : AP&C, Carpenter Additive, Arcam AB

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

La poudre Ti-6-2-4-2 offre une résistance supérieure à l'érosion par les gaz chauds :

• Résiste à l'oxydation et à la corrosion jusqu'à 600°C
• Excellente résistance jusqu'à 1300 MPa
• Utilisé pour les pièces soumises à des gaz à haute température
• Nécessite un pressage isostatique à chaud pour atteindre les densités maximales.

Applications :

• Pales et aubes de moteurs d'avion
• Tuyères de moteur-fusée
• Composants de missiles soumis à des flux de gaz chauds
• Composants de réacteurs nucléaires

Fournisseurs : AP&C, Tekna, Sandvik Osprey

Titane de grade 1 et de grade 2

Grade 1 et 2 non allié poudres de titane offrent une excellente résistance à la corrosion :

• Grande pureté avec peu d'éléments interstitiels
• Excellente biocompatibilité
• Faible résistance par rapport aux alliages ; environ 380 MPa
• Utilisé pour des applications chimiques, marines et grand public

Applications :

• Implants biomédicaux tels que les plaques crâniennes
• Cuves et tubes de réacteurs chimiques
• Composants marins tels que les arbres d'hélice
• Équipement de transformation des aliments

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

Poudres d'aluminure de titane

Les alliages d'aluminure de titane tels que le Ti4522 permettent d'imprimer des composants légers :

• Faible densité - 3,7 g/cm3
• Résistance jusqu'à 1000 MPa
• Excellente résistance à la corrosion
• Capacité à haute température jusqu'à 750°C
• Traitement difficile en raison de la rapidité du refroidissement et de la solidification

Applications :

• Pièces pour compresseurs aérospatiaux
• Roues de turbocompresseurs automobiles
• Revêtements de chambre de combustion
• Structures de missiles et d'avions

Fournisseurs : Kennametal, AP&C, Sandvik

Méthodes de production de la poudre de titane

1. Atomisation des gaz

• Gaz inerte utilisé pour atomiser le métal en fusion en fines gouttelettes.
• Poudres sphériques idéales pour l'AM, 10-100 microns
• Grande pureté, peut être coûteux

2. Atomisation par plasma

• Utilise un gaz plasmatique pour atomiser le métal en fusion
• Formes et tailles de particules contrôlées
• Moins d'absorption d'oxygène que l'atomisation du gaz

3. Hydrure-Déhydrure (HDH)

• L'hydrure de titane broyé est déshydraté.
• Formes irrégulières, particules de grande taille
• Coût moins élevé, risque d'impuretés plus importantes

Spécifications techniques

Typique poudre de titane spécifications pour l'AM :

Paramètres	Spécifications	Méthode d'essai
Taille des particules	10 - 45 microns	ASTM B214
Densité apparente	2,2 - 4,5 g/cc	ASTM B212
Densité du robinet	3,5 - 5,5 g/cc	ASTM B527
Débit	25 - 35 s/50g	ASTM B213
Teneur en oxygène	< 0,20%	Fusion sous gaz inerte
Teneur en azote	< 0,05%	Fusion sous gaz inerte
Teneur en hydrogène	< 0,015%	Fusion sous gaz inerte
Morphologie	Sphéroïdale	Imagerie SEM

Le contrôle de la distribution de la taille, de la forme, de la composition chimique et de la densité des particules est essentiel.

Manipulation et stockage de la poudre de titane

Une manipulation particulière est nécessaire pour éviter l'oxydation et la prise d'humidité :

• Utiliser des conteneurs et des récipients de transfert en acier inoxydable
• Manipuler la poudre uniquement dans des boîtes à gants pour gaz inertes.
• Utiliser une atmosphère d'argon de haute pureté
• Éviter l'exposition directe à l'air et à l'eau
• Mettre à la terre tous les équipements de manutention
• Maintenir les températures de stockage entre -10°C et 30°C
• Geler le lit de poudre lorsque l'imprimante est à l'arrêt pour éviter l'absorption d'oxygène

Un stockage adéquat prolonge considérablement la durée de réutilisation de la poudre de titane.

Tamisage des poudres

Le tamisage est utilisé pour obtenir une distribution cohérente de la taille des particules :

Avantages

• Casse les agglomérats
• Élimine les particules satellites
• Réduit la probabilité de défauts
• Améliore l'écoulement et le conditionnement de la poudre

Procédure

• Tamiser la poudre à travers une maille fine d'environ 20 microns.
• Utiliser un tamisage rotatif ou vibrant
• Effectuer sous gaz de couverture inerte
• Document pourcentage de poids de poudre restant

Une poudre de départ de haute qualité combinée à un tamisage minimise les défauts des pièces finales.

Fournisseurs et prix

Fournisseur	Notes	Fourchette de prix
AP&C	Ti64, Ti64 ELI, Ti5553	$150 - $450/kg
Additif pour charpentier	Ti64, Ti5553, Ti64 ELI	$200 - $500/kg
TLS Technik	Ti64, Ti4522, Ti54M	$250 - $600/kg
Tekna	Ti64, Ti64 ELI, Ti45Nb	$180 - $480/kg

• Les poudres non alliées de qualité 1 et 2 coûtent ~$150-250/kg.
• Ti-6Al-4V et Ti-6Al-7Nb coûtent ~$250-450/kg
• Les alliages spéciaux coûtent $500-650/kg

Les prix dépendent du volume de commande, du niveau de qualité, de la microstructure et de la morphologie.

Installation et mise en service de l'imprimante

L'installation d'une imprimante AM en titane est nécessaire :

• Nettoyage approfondi et contrôle des fuites
• Contrôle de la pureté des systèmes d'argon
• Chargement et test du système de manutention des poudres
• Calibrage et mise à niveau de la plaque de construction
• Intégration d'un refroidisseur, d'une alimentation en gaz et d'une station de tamisage
• Programmation des paramètres du processus
• Impression de pièces d'essai pour valider la qualité

Les fournisseurs proposent une assistance à l'installation pour garantir une configuration idéale de la machine.

Meilleures pratiques d'impression

Fonctionnement de l'imprimante :

• Maintenir des niveaux élevés de pureté de l'argon
• Contrôle minutieux de la piscine de fusion et du comportement thermique
• Validation de toutes les dimensions critiques
• Remplacement régulier des filtres et des consommables
• Contrôle des niveaux de réutilisation des poudres

Sécurité du personnel :

• Utiliser des équipements de protection individuelle (EPI), tels que des respirateurs, lors de la manipulation de poudres
• Éviter le contact avec la fine poudre de titane
• Élimination correcte de la poudre de titane usagée

Partie post-traitement :

• Retirer avec précaution les supports des parties délicates
• Traitement thermique adapté à l'alliage et à l'application
• Pressage isostatique à chaud pour améliorer les densités
• Usinage CNC et étapes de finition si nécessaire

Le respect des procédures recommandées par le fournisseur est essentiel pour obtenir des pièces imprimées sans défaut dans les alliages de titane.

Entretien et inspection

Des activités de maintenance régulières sont nécessaires :

Tous les jours :

• Inspecter les optiques pour vérifier qu'elles ne sont pas endommagées et qu'il n'y a pas de dépôts
• Contrôle des niveaux d'argon et des capteurs d'oxygène
• Vérifier les joints et les capteurs du système de manutention des poudres
• Nettoyer la chambre de construction et le tamis Résidus de poudre

Hebdomadaire :

• Étalonner les instruments et les capteurs
• Lubrifier et inspecter les pièces mobiles
• Inspecter les bornes électriques et la mise à la terre

Mensuel :

• Effectuer des tests d'étanchéité sur le système d'argon
• Inspecter les dispositifs de sécurité et les alarmes
• Vérifier l'état du filtre et le remplacer si nécessaire
• Contrôler l'état général du système

Annuel :

• Programmer la maintenance préventive
• Remplacer les consommables et les optiques
• Inspection et mise à niveau du matériel informatique

La maintenance proactive améliore la fiabilité et la durée de vie des équipements.

Sélection d'un système d'impression sur titane

Critères clés de sélection d'un système d'impression 3D en titane :

1. Exigences en matière de production

• Types de pièces à produire
• Classe de matériau basée sur les propriétés requises
• Volumes de production requis
• Besoins en matière de précision et de finition de surface

2. Spécifications de l'imprimante

• Alliages soutenus et optimisés
• Taux de construction, précision et répétabilité
• Contrôle et confinement des gaz inertes
• Fonctions d'automatisation
• Taille et capacité

3. Système de manutention des poudres

• Intégré ou autonome
• Capacités de tamisage, de stockage et de réutilisation
• Contrôle de l'oxygène et de l'humidité
• Facilité de fonctionnement et de confinement

4. Respect des normes

• Normes industrielles telles que ASTM F2924
• Certifications de qualité du fabricant
• Conformité CE, FCC

5. Références du fournisseur

• Expertise spécialisée dans le titane AM
• Support technique local pour les applications
• Formation des opérateurs proposée
• Contrats de maintenance et de service

L'évaluation des options sur la base de ces facteurs garantit la sélection du système de fabrication additive de titane idéal pour répondre aux besoins de production.

Avantages et inconvénients de Titanium AM

Avantages

• Excellent rapport résistance/poids
• Résistance à la corrosion, biocompatibilité
• Réduction des pièces, amélioration des performances
• Exécution rapide de géométries complexes
• Conceptions personnalisées et production en série
• Réduction des déchets par rapport à l'usinage
• Consolidation des assemblages en une seule pièce

Inconvénients

• Coût élevé des matériaux et des machines
• Autres étapes de post-traitement
• Limitation de la taille maximale des pièces
• Le contrôle des défauts internes peut s'avérer difficile
• Les propriétés des matériaux peuvent varier par rapport au corroyage
• Expertise spécialisée requise

Résolution des problèmes liés à Titanium AM

Enjeu	Causes possibles	Actions correctives
Porosité	Atmosphère d'argon de faible pureté	Assurer des niveaux d'argon supérieurs à une pureté de 99,99%
	Mauvaise qualité de la poudre	Utilisation d'une poudre de haute qualité combinée à un tamisage
	Paramètres de processus incorrects	Optimiser les paramètres tels que la puissance, la vitesse, l'espacement des hachures
Craquage	Contraintes résiduelles élevées	Optimiser la gestion thermique, utiliser le préchauffage
	Microstructure fragile	Ajuster la stratégie de balayage, utiliser HIP
	Contamination	Amélioration de la manipulation des poudres, garantie d'une grande pureté de l'argon
Finition de la surface	Mauvais contrôle du bassin de fusion	Ajuster les décalages de mise au point, l'épaisseur de la couche, la puissance
	Poudre contaminée	Utiliser de la poudre de titane fraîchement tamisée
Distorsion	Chauffage inégal	Optimiser les schémas de balayage, utiliser les structures de soutien

FAQ

Q : Comment manipuler en toute sécurité la poudre de titane réactive ?

R : Utiliser des boîtes à gants et des trémies à gaz inertes, éviter l'exposition à l'air et maintenir des niveaux d'argon appropriés pendant l'impression.

Q : Quelle est la taille des particules utilisées pour la poudre AM de titane ?

R : Généralement de 10 à 45 microns, avec un contrôle plus strict pour une distribution de 20 à 45 microns.

Q : Quelles sont les méthodes de post-traitement utilisées ?

R : Enlèvement du support, traitement thermique, pressage isostatique à chaud et usinage/polissage de finition.

Q : Quels sont les contaminants qui affectent la réutilisation de la poudre de titane ?

R : Le ramassage de l'oxygène, de l'azote, de l'hydrogène et du carbone réduit la durée de réutilisation. Des procédures de manipulation strictes sont nécessaires.

Q : Combien de fois la poudre de titane peut-elle être réutilisée ?

R : Typiquement de 20 à 100 impressions en fonction de l'alliage, de la manipulation et du stockage. Le titane de qualité 23 offre une meilleure réutilisation que le titane de qualité 5.

Q : Quelle température est utilisée pour le traitement thermique des pièces AM en titane ?

R : Le traitement de la solution est effectué à 50-100°C en dessous de la température du transus bêta, suivi d'un vieillissement et d'un refroidissement à l'air ou au four.

Q : Quelles sont les normes applicables à la poudre AM de titane ?

A : ASTM B801, ASTM F2924, ASTM F3001, ISO 23304 (en cours de développement).

Q : Pourquoi utilise-t-on le pressage isostatique à chaud ?

R : Le HIP permet de fermer les vides internes et d'obtenir des densités plus élevées et des propriétés mécaniques améliorées.

Conclusion

La poudre de titane permet d'imprimer des composants en titane très résistants et légers pour des applications aérospatiales, médicales, automobiles et industrielles de pointe à l'aide de techniques d'AM telles que SLM et EBM. Avec des propriétés supérieures à celles du titane conventionnel, des géométries complexes peuvent être fabriquées rapidement et efficacement. Cependant, une manipulation réactive de la poudre, des paramètres de processus contrôlés, des opérateurs formés et des procédures de qualification des pièces sont essentiels pour obtenir des résultats exempts de défauts. Au fur et à mesure que l'expertise se développe, l'AM utilisant de la poudre de titane offre des capacités sans précédent pour fabriquer des pièces en titane personnalisées et de haute performance dans des délais réduits.

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