積層造形用チタン粉末

チタンパウダー は、選択的レーザー溶融（SLM）や電子ビーム溶融（EBM）のような付加製造技術を使用して、高強度、軽量のチタンコンポーネントを印刷するための重要な材料です。このガイドはAM用チタン粉末の包括的な概要を提供します。

AM用チタン粉末の紹介

チタン粉末は、卓越した特性を持つチタン部品の3Dプリントを可能にする：

• 高い強度対重量比
• 優れた耐食性
• 優れた高温特性
• 医療用生体適合性
• 反応性があり、制御された処理が必要

AM用の一般的なチタン合金：

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

主なパウダーの特徴

• 化学と微細構造
• 粒子径と分布
• 粒子の形状と形態
• 純度
• 流動性と見掛け密度

Ti-6Al-4Vパウダー

Ti-6Al-4Vは、AMで使用される最も一般的なチタン合金粉末である：

• 強度、延性、耐食性の優れた組み合わせを提供する。
• AM部品の強度は1300MPa以上に達する可能性がある
• 1600℃前後で溶融するため、印刷時の熱管理が必要
• 酸素ピックアップに敏感 - 制御された雰囲気が必要

アプリケーション

• 航空宇宙および自動車部品
• 人工膝関節や人工股関節などのバイオメディカル・インプラント
• 食品・化学工業部品
• 消費者製品

サプライヤー AP&C、Tekna、Carpenter Additive、Arcam AB

Ti-6Al-7Nb 粉末

Ti-6Al-7Nb粉末は、優れた引張強度と耐クリープ性を提供します：

• 析出硬化による1500MPaまでの高強度
• 良好な溶接性
• 有毒なバナジウム合金の代替として使用される。
• ボイドを最小限に抑えるため、熱間静水圧プレス（HIP）が必要

アプリケーション

• 機体やタービンなどの航空宇宙部品
• 高い応力を受けるモータースポーツ部品
• 歯科インプラントと医療用補綴物
• 船舶やプロペラなどの海洋用途

サプライヤー AP&C, TLS Technik GmbH, Tekna

Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr 粉末

Ti-5-5-3粉末は、優れた焼入れ性と深部硬化を提供します：

• 1400MPaを超える強度レベル
• 350℃以上で特性を保持
• 加工が困難なチタン部品に使用
• 高い耐疲労性とクリープ強度を実現

アプリケーション

• 航空機の着陸装置および構造部品
• F1エンジンおよびシャシー・コンポーネント
• タービンエンジンディスクとコンプレッサー部品
• 航空宇宙用ファスナーおよびハードウェア

サプライヤー AP&C、カーペンター・アディティブ、アルカムAB

Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 粉末

Ti-6-2-4-2粉末は、優れた耐ホットガスエロージョン性を提供する：

• 600℃までの耐酸化性と耐腐食性
• 1300 MPaまでの優れた強度
• 高温ガスにさらされる部品に使用される。
• 完全な密度を得るには熱間静水圧プレスが必要

アプリケーション

• 航空機エンジンのブレードとベーン
• ロケットエンジンのノズル
• 高温ガス流にさらされるミサイル部品
• 原子炉部品

サプライヤー AP&C、Tekna、Sandvik Osprey

グレード1とグレード2のチタン

グレード1および2の非合金 チタン粉 は優れた耐食性を提供する：

• 格子間元素の少ない高純度
• 優れた生体適合性
• 合金に比べて強度が低い；約380MPa
• 化学、海洋、消費者用途に使用

アプリケーション

• 頭蓋プレートのような生物医学的インプラント
• 化学反応容器および配管
• プロペラシャフトなどの船舶用部品
• 食品加工機器

サプライヤー AP&C、TLS Technik、Tekna Plasma Systems

チタンアルミナイドパウダー

Ti4522のようなチタンアルミナイド合金は、軽量部品を印刷する：

• 低密度 - 3.7 g/cm3
• 1000MPaまでの強度
• 優れた耐食性
• 750℃までの高温能力
• 冷却と凝固が速いため、加工が難しい。

アプリケーション

• 航空宇宙用コンプレッサー部品
• 自動車用ターボチャージャーホイール
• 燃焼室ライナー
• ミサイルと航空機の構造

サプライヤー ケナメタル、AP&C、サンドビック

チタンパウダーの製造方法

1.ガス霧化

• 溶融金属を微粒化するための不活性ガス
• AMに最適な球状粉末、10-100ミクロン
• 高純度、高価な場合がある

2.プラズマ霧化

• プラズマガスで溶融金属を霧化する
• 制御された粒子形状とサイズ
• ガス噴霧よりも低い酸素ピックアップ

3.水素化物-脱水素化物(HDH)

• 粉砕した水素化チタンを脱水する
• 不規則な形状、大きな粒子径
• 低コスト、不純物が多い可能性がある

技術仕様

典型的な チタン粉 AMの仕様：

粒度分布、形状、化学的性質、密度をコントロールすることは非常に重要である。

チタン粉末の取り扱いと保管

酸化や水分のピックアップを防ぐため、特別な取り扱いが必要である：

• ステンレス製容器および移し替え容器を使用する。
• 不活性ガス用グローブボックス内でのみ粉末を取り扱うこと
• 高純度アルゴン雰囲気を使用
• 空気や水に直接触れないようにする
• すべての運搬機器を接地する
• 保管温度は-10℃～30℃に保つ
• 酸素の吸収を防ぐため、プリンターがアイドル状態のときにパウダーベッドを凍らせる。

適切な保管により、チタンパウダーの再利用寿命は大幅に延びます。

粉体ふるい分け

ふるい分けは一貫した粒度分布を得るために行われる：

メリット

• 凝集塊を砕く
• 衛星粒子を除去
• 欠陥の可能性を減らす
• パウダーフローとパッキングを改善

手続き

• 粉末を20ミクロン前後の目の細かいメッシュでふるいにかける。
• 回転ふるいまたは振動ふるい
• 不活性カバーガス下で行う
• 粉体残量率を記録する

高品質の出発粉末とふるい分けを組み合わせることで、最終的な部品の欠陥を最小限に抑えます。

サプライヤーと価格

• グレード1およびグレード2の非合金粉末の価格は～$150～250/kg
• Ti-6Al-4VおよびTi-6Al-7Nbのコストは～$250～450/kg
• 特殊合金コスト $500-650/kg

価格は注文量、品質レベル、微細構造、形態によって異なる。

プリンターの設置と試運転

チタンAMプリンターの設置には

• 徹底的なクリーニングと漏れチェック
• アルゴンシステムの純度チェック
• パウダーハンドリングシステムのローディングとテスト
• ビルドプレートのキャリブレーションとレベリング
• 冷凍機、ガス供給、ふるいステーションを統合
• プロセスパラメータのプログラミング
• 品質を確認するためのテスト部品の印刷

ベンダーは、理想的なマシンのセットアップを確実にするための設置サポートを提供する。

印刷のベストプラクティス

プリンタの操作：

• 高純度アルゴンレベルを維持
• メルトプールと熱挙動を注意深く監視
• すべての重要な寸法の検証
• フィルターと消耗品の定期交換
• 粉体の再利用レベルのモニタリング

従業員の安全：

• 粉体を取り扱う際は、呼吸マスクなどのPPEを使用する。
• 微細なチタン粉との接触を避ける
• 使用済みチタン粉末の適切な処理

一部は後処理：

• デリケートな部品から慎重にサポートを取り外す
• 合金と用途に合わせた熱処理
• 熱間静水圧プレスによる密度の向上
• 必要に応じて、CNC加工と仕上げ工程

ベンダーの推奨する手順に従うことは、チタン合金で欠陥のない印刷部品を達成するために非常に重要です。

保守点検

定期的なメンテナンスが必要：

毎日だ：

• 光学部品に損傷や付着物がないか点検する
• アルゴンレベルと酸素センサーをモニター
• 粉体処理システムのシールとセンサーのチェック
• ビルドチャンバーとふるいを清掃する。

週刊誌だ：

• 計測器とセンサーの校正
• 可動部品の潤滑と点検
• 電気端子と接地の点検

毎月だ：

• アルゴンシステムのリークテストの実施
• 安全装置およびアラームの点検
• フィルターの状態を確認し、必要であれば交換する
• システム全体の健全性を監視する

毎年：

• 予防メンテナンスのスケジュール
• 消耗品と光学部品の交換
• ハードウェアの点検とアップグレード

積極的なメンテナンスは、機器の信頼性と寿命を向上させます。

チタン印刷システムの選択

チタン3Dプリンティングシステムの主な選択基準：

1.生産要件

• 製造する部品の種類
• 必要な特性に基づく材料等級
• 必要な生産量
• 精度と表面仕上げのニーズ

2.プリンタ仕様

• 合金のサポートと最適化
• ビルドレート、精度、再現性
• 不活性ガスの制御と封じ込め
• オートメーション機能
• サイズと容量

3.粉体ハンドリングシステム

• 一体型または独立型
• ふるい分け、保管、再利用機能
• 酸素と水分のモニタリング
• 操作と封じ込めの容易さ

4.規格の遵守

• ASTM F2924のような業界標準
• メーカー品質認証
• CE、FCC準拠

5.サプライヤー資格

• チタンAMの専門知識
• ローカル・アプリケーション・エンジニアリング・サポート
• オペレーター・トレーニング
• メンテナンスおよびサービス契約

これらの要因に基づいて選択肢を評価することで、生産ニーズを満たす理想的なチタン積層造形システムを選択することができます。

チタンAMの長所と短所

メリット

• 優れた強度対重量比
• 耐食性、生体適合性
• 部品の削減、性能の向上
• 複雑な形状の迅速なターンアラウンド
• カスタマイズ設計とバッチ生産
• 機械加工に比べてスクラップを削減
• アセンブリを1つの部品に統合

デメリット

• 高い材料費と機械代
• 追加の後処理ステップ
• 最大部品サイズの制限
• 内部欠陥の管理は難しい
• 材料特性は、錬成と異なる場合がある。
• 専門知識が必要

チタンAMの問題のトラブルシューティング

よくあるご質問

Q: 反応性チタン粉末の安全な取り扱い方法は？

A: 不活性ガスのグローブボックスとホッパーを使用し、空気への暴露を避け、印刷中のアルゴンレベルを適切に保つ。

Q:チタンAMパウダーの粒度は？

A: 通常は10～45ミクロンで、20～45ミクロンの範囲ではより厳しくコントロールされる。

Q：どのような後処理をするのですか？

A：サポート除去、熱処理、熱間静水圧プレス、仕上げ加工／研磨。

Q: チタンパウダーの再利用に影響を与える汚染物質は何ですか？

A: 酸素、窒素、水素、炭素のピックアップは再使用寿命を縮めます。厳密な取り扱いが必要。

Q: チタンパウダーは何回再利用できますか？

A: 合金、取り扱い、保管方法により異なりますが、通常20-100プリントです。グレード23のチタンはグレード5よりも再利用が可能です。

Q:チタン製AMパーツの熱処理に使用される温度は？

A: 溶液処理は、ベータトランサス温度より50～100℃低い温度で行われ、その後エージングと空冷/炉冷が行われる。

Q: チタンAMパウダーにはどのような規格が適用されますか？

A: ASTM B801、ASTM F2924、ASTM F3001、ISO 23304（開発中）。

Q: なぜ熱間静水圧プレスが使われるのですか？

A: HIPは内部の空隙を塞ぎ、より高い密度と機械的特性の向上を実現します。

結論

チタンパウダーは、SLMやEBMのようなAM技術を使用して、高度な航空宇宙、医療、自動車、産業用アプリケーションのための高強度、軽量チタンコンポーネントの印刷を可能にします。従来のチタンよりも優れた特性により、複雑な形状を迅速かつ効率的に製造することができます。しかしながら、欠陥のない結果を達成するためには、反応性の粉末の取り扱い、制御されたプロセスパラメーター、訓練されたオペレーター、部品認定手順が不可欠です。専門知識がさらに発展すれば、チタン粉末を使用するAMは、カスタマイズされた高性能チタン部品をリードタイム短縮で製造する前例のない能力を提供します。

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