Titane Ti-64 pour l'impression 3D de métaux

titane ti-64 pour l'impression 3d métalabrégé en Ti-64, est un alliage de titane de qualité aérospatiale largement utilisé pour des applications critiques de fabrication additive dans l'aérospatiale, le médical, l'automobile et l'ingénierie générale. Ce guide fournit une vue d'ensemble technique de la métallurgie des poudres Ti-64, y compris la composition, les données sur les propriétés mécaniques, les détails du traitement AM, les post-traitements, les applications, l'analyse des coûts, les spécifications du produit et les comparaisons avec d'autres grades de titane.

Vue d'ensemble du titane ti-64 pour l'impression 3D de métaux

L'alliage de titane Ti-6Al-4V (grade 5) offre un équilibre optimal entre la solidité, la résistance à la rupture et la résistance à la corrosion, ainsi qu'une biocompatibilité éprouvée, ce qui en fait le choix de matériau le plus répandu pour les composants métalliques imprimés en 3D dans tous les secteurs d'activité.

Alors que l'AM passe du prototypage à la production en série de composants aérospatiaux prêts à l'emploi et d'implants spécifiques aux patients, le Ti-64 est devenu la poudre de référence à laquelle les nouveaux matériaux sont comparés.

Il offre :

• Excellent rapport résistance/poids
• Dureté élevée et résistance à la rupture jusqu'à 550 MPa
• Ductilité pour les géométries complexes
• Biocompatibilité et non-toxicité
• Un pedigree testé depuis des décennies
• Chaîne d'approvisionnement disponible et rentabilité

Poursuivez votre lecture pour obtenir des informations techniques approfondies sur les approches de la métallurgie des poudres pour la fabrication de pièces en titane Ti-64 imprimées en 3D.

Composition et conception des alliages

L'alliage de titane Ti-64 comprend principalement du titane avec des ajouts d'aluminium et de vanadium :

Élément	Poids %	Rôle
Titane (Ti)	Balance, ~90%	Résistance à la corrosion, biocompatibilité
Aluminium (Al)	5.5-6.75%	Renforçateur de solution solide
Vanadium (V)	3.5-4.5%	Stabilisateur de phase
Fer (Fe)	<0,3%	Contaminant
Oxygène (O)	<0,2%	Contaminant

Les oligo-éléments tels que le carbone, l'azote et l'hydrogène sont réduits au minimum car ils dégradent les propriétés mécaniques. Les concentrations de fer et d'oxygène sont également maintenues à un faible niveau.

L'aluminium stabilise la phase alpha tandis que le vanadium forme des précipités bêta renforcés lors d'un traitement thermique approprié. Cette double phase deborgenixation permet d'obtenir d'excellentes performances.

Principales propriétés de Ti-64

• Limite d'élasticité : 880 MPa
• Résistance à la traction : 950 MPa
• Élongation : 14%
• Dureté : 350 Brinell
• Limite de fatigue : 500 MPa
• Résistance à la rupture : 75 MPa√m
• Résistance au cisaillement : 690 MPa
• Module de Young : 115 GPa
• Densité 4,43 g/cc
• Point de fusion: 1604°C

Ces propriétés dépendent fortement d'un traitement thermique approprié, dont il sera question plus loin. Les valeurs varient également légèrement entre les procédés AM à fil et les procédés AM à lit de poudre, ce qui nécessite des ajustements de paramètres.

titane ti-64 pour l'impression 3d métal Production

Les applications médicales et aérospatiales nécessitent des contrôles stricts pour obtenir des produits sans défaut. La fabrication de poudres répond donc à des spécifications strictes :

Étapes	Détails
Coulée de lingots	Lingots coulés en triple fusion à l'arc avec un contrôle étroit de la chimie
Refonte	Purification VAR ou ESR en option pour les utilisations critiques
Atomisation des gaz	Le jet de gaz argon inerte à haute pression forme de fines gouttelettes.
Tamisage	Plusieurs étapes de classification selon les normes de distribution de la taille des particules (PSD)
Conditionnement	Dessiccation, mélange, additifs d'écoulement
Test final	PSD, débit de Hall, essais chimiques, imagerie SEM
Emballage	Boîtes ou bouteilles remplies d'argon à l'épreuve de l'humidité

Caractéristiques principales :

• Morphologie des particules sphériques avec peu de satellites
• Poudre fluide sans agglutination ni formation de mousses
• Bande de DSP contrôlée avec une distribution majoritaire entre 15 microns et 45 microns
• Produits chimiques conformes aux normes ASTM F2924 et F3001
• Des lots cohérents avec des données de répétabilité sur de grands volumes de production
• Traçabilité des documents jusqu'aux lingots moulés à la source

Ce contrôle rigoureux de la production garantit des impressions fiables et sans défaut après des ajustements validés des paramètres de la machine.

Applications du titane ti-64 pour l'impression 3D de métaux

La biocompatibilité de l'alliage et son rapport résistance/poids élevé conviennent à de nombreuses applications critiques :

Aérospatiale

• Supports structurels, cloisons et pièces de train d'atterrissage
• Aubes et roues de turbines
• Composants intérieurs d'aéronefs

Médical et dentaire

• Implants orthopédiques tels que les articulations du genou et de la hanche et les cages vertébrales
• Piliers et bridges dentaires
• Instruments chirurgicaux nécessitant une stérilisation

Automobile

• Pistons et bielles légers
• Composants pour voitures de luxe et de course, y compris les soupapes

Traitement chimique

• Pièces de manutention des fluides résistantes à la corrosion, telles que les tuyaux, les vannes, etc.
• Filtres et boîtiers conformes aux normes alimentaires/pharmaceutiques

Le Ti-64 imprimé en 3D est également de plus en plus utilisé dans des secteurs à forte valeur ajoutée tels que la robotique, les articles de sport et la gestion thermique de l'électronique, qui bénéficient d'une plus grande liberté de conception.

Nous nous intéresserons ensuite aux techniques de fusion sur lit de poudre les plus courantes, utilisées pour traiter cette poudre d'alliage polyvalente en vue de la fabrication de composants finis critiques.

Impression 3D de métaux à l'aide de la poudre de titane Ti-64

Les technologies de lit de poudre par laser et par faisceau d'électrons fusionnent le Ti-64 à pleine densité sur une plaque de construction, couche par couche :

Fusion laser sur lit de poudre (L-PBF)

• Fusion sélective par laser (SLM) et frittage direct par laser (DMLS)
• Lasers à fibre Yb ou Nd:YAG focalisés de haute puissance
• Atmosphère inerte d'argon avec des niveaux d'oxygène inférieurs à 500 ppm
• Surveillance optique en temps réel des bassins de fusion

Fusion en lit de poudre par faisceau d'électrons (E-PBF)

• Faisceau d'électrons puissant de 60 kV à 150 kV dans le vide
• Taux de balayage ultrarapide du faisceau supérieur à 25 000 mm/s
• Productivité élevée pour les petits composants
• Une pénétration plus profonde permet de souder plus facilement le titane

Pour les pièces plus grandes, les méthodes de dépôt d'énergie dirigée (DED) par fil permettent d'ajouter du matériau sur les structures de base. De multiples approches de l'AM permettent d'optimiser les caractéristiques mécaniques et l'état de surface.

Avantages

• Géométries complexes non supportées par le moulage ou l'usinage
• Réduction des délais et des coûts par rapport aux étapes soustractives
• Gaspillage minimal de matériel et ratios achat-vol supérieurs à 90%
• Des résultats constants sur de longues durées une fois qu'ils ont été réglés
• La liberté de conception permet des gains de performance

Cependant, pour en tirer profit, un prétraitement et un post-traitement méticuleux sont essentiels.

Étapes préalables et postérieures au traitement

L'absence de défauts dans les constructions implique des protocoles intégrés :

Prétraitement

• Matrices de test d'optimisation des paramètres sur des machines dédiées
• Contrôle de l'état des poudres et réutilisation des ratios de mélange
• Traitements thermiques initiaux pour garantir l'uniformité des caractéristiques des particules
• Emboîtement et orientation minutieux des pièces sur la plaque de construction

Post-traitement

• Extraction de pièces de la plaque par électro-érosion à fil / sciage à ruban
• Usinage et finition poussés en aval
• Pressage isostatique à chaud (HIP) pour éliminer les vides internes
• Traitements thermiques de mise en solution, de vieillissement et de stabilisation
• Essais de validation de l'assurance qualité finale

Ces contrôles de traitement complets permettent d'exploiter tout le potentiel de la fabrication additive à l'aide de Ti-64, au-delà des seules imprimantes.

Spécifications

Les lots d'alliage Ti-64 destinés à des utilisateurs du secteur médical ou aérospatial doivent être certifiés :

Paramètres	Valeurs typiques
Chimie par AMS 4928	Tableau ci-dessus
Distribution de la taille des particules	D10 20μm, D50 35μm, D90 50μm
Morphologie	Principalement sphérique + satellites
Densité apparente	2,7 - 3,2 g/cc
Densité du robinet	3,2 - 4,0 g/cc
Débit	30 - 35 sec pour 50g, entonnoir Hall
Analyse de l'oxygène en surface	< 2000 ppm
Impuretés	Fe < 3000 ppm, H< 100 ppm

Le tamisage personnalisé en bandes plus étroites est possible mais augmente le coût. L'adaptation des paramètres de la machine AM du client et les contrôles de qualité approuvés garantissent la répétabilité des performances sur l'ensemble des travaux de production.

titane ti-64 pour l'impression 3d métal Disponibilité et analyse des coûts

La qualité aérospatiale Ti-6Al-4V est plus coûteuse que les qualités de Ti standard grâce à une fusion spécialisée, à des tests de qualité rigoureux et à l'ingénierie de la forme de la poudre :

Produit	Quantité	Fourchette de prix
Poudre Ti-64 R&D	0,5 kg	$500+
Poudre de prototypage Ti-64	10 kg	$150+ par kg
Ti-64 Poudre de production	1000+ kg	$50+ par kg

Les coûts restent élevés mais continuent de s'améliorer à mesure que l'AM augmente l'utilisation de l'alliage Ti-64, ce qui permet d'optimiser la fabrication en fonction de l'économie d'échelle. Les petits échantillons de R&D peuvent désormais être achetés sans QMV, mais les travaux de production nécessitent des prévisions de commande.

Comparaison entre Ti-64 et d'autres alliages de titane

Si le Ti-64 est le plus largement adopté, d'autres qualités rivalisent désormais avec les options alternatives AM :

Alliage	La force	Ductilité	Résistance à l'oxydation	Coût
Ti-64 (Ti-6Al-4V)	Très élevé	Moyen	Moyen	$$$
Ti-5553 (Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr)	Très élevé	Moyen	Mieux	$$$
Ti-1023 (Ti-10V-2Fe-3Al)	Haut	Plus élevé	Bon	$$
Ti-48Al-2Cr-2Nb (Ti4822)	Moyen	Brisures	Le meilleur	$$$$

Les principaux avantages du Ti-64 conventionnel sont les suivants:

• Un pedigree matériel éprouvé depuis plus de 30 ans
• Finitions de surface plus lisses dans les constructions AM
• Protocoles de traitement thermique établis
• Données sur les valeurs admissibles pour la qualification de la conception
• Disponibilité immédiate et offre compétitive

Limites du Ti-64:

• Le titane n'est pas le plus résistant qui soit
• Susceptible de s'oxyder thermiquement sans contrôle
• Nécessite un important pressage isostatique à chaud (HIP)

Ainsi, chacun des compromis décrits aide à sélectionner les qualités optimales en fonction des exigences de l'application.

Résumé

La fabrication additive offre aux ingénieurs des libertés sans précédent pour concevoir des composants en titane Ti-64 de haute performance, sans commune mesure avec les techniques traditionnelles. En combinant les capacités numériques émergentes avec de nombreuses données sur les matériaux validées depuis plus de 30 ans dans les domaines de l'aérospatiale et de la médecine, les ingénieurs peuvent déployer de nouvelles géométries innovantes imprimées en 3D en tirant parti des avantages du Ti-64 avec un risque de qualification réduit. Cependant, des contrôles méticuleux restent essentiels dans la fabrication des poudres, la manipulation du stockage, le traitement AM des métaux et les post-traitements pour exploiter tout le potentiel de cet alliage polyvalent à haute résistance.

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