티타늄 금속 분말

티타늄 금속 분말 야금학을 통해 높은 비강도, 내식성, 생체 적합성을 겸비한 첨단 경량 구조 부품을 제작할 수 있습니다. 이 가이드는 티타늄 분말 생산 방법, 특성, 합금 전략, 응용 분야, 사양, 가격, 대체 금속과의 비교를 다룹니다. 또한 최적화된 특성을 위한 티타늄 분말 가공에 대한 연구 방향과 전문가 권장 사항도 포함되어 있습니다.

개요

티타늄 금속 분말은 주요 특성으로 인해 항공우주부터 의료까지 다양한 산업 분야에서 유용하게 사용됩니다:

• 모든 금속 원소 중 가장 높은 중량 대비 강도 비율
• 완벽한 생체 적합성 및 무독성
• 바닷물, 수중 및 생리적 부식에 강함
• 극저온에서 600°C 온도까지 열 불활성
• 경쟁사 고강도 합금보다 연성이 우수합니다.
• 파우더 베드 퓨전 3D 프린팅 호환성
• 경량 복합재 및 강화 구조물 허용

티타늄 분말 야금의 지속적인 개발로 이제 정형외과용 임플란트, 항공우주 부품, 자동차 시스템 및 티타늄의 고유한 이점을 활용하는 다양한 일반 엔지니어링 응용 분야에 대형 인쇄 부품을 사용할 수 있게 되었습니다.

티타늄 금속 분말 구성

상업적으로 순수한 티타늄은 산소 및 철 불순물이 적은 >99% 티타늄으로 구성됩니다:

요소	무게 %	역할
티타늄(Ti)	99.5%+	내식성, 강도
산소(O)	<0.20%	오염 물질 - 연성 감소
철(Fe)	<0.30%	오염 물질 - 내식성 감소
질소(N)	<0.03%	오염 물질 - 취성의 원인
탄소(C)	<0.10%	오염 물질 - 결합력 감소

티타늄의 높은 반응성은 자연적으로 순수한 형태로 존재하지 않는다는 것을 의미합니다. 하지만 일단 추출하여 분말로 정제하면 고성능 부품 제조에 적합한 탁월한 특성을 발휘합니다.

특성 및 속성

• 높음 인장 강도 - 490 MPa
• 밀도 - 4.5g/cm3
• 녹는점 - 1668°C
• 열팽창 - 8.6μm/(m.K)
• 전기 저항 - 420 nΩ.m
• 열 전도성 - 21.9W/(m.K)
• 생체 독성이 없는 상자성
• 뛰어난 생체 적합성

이러한 특성은 다음에 설명하는 분말 생산 단계의 불순물 제어에 따라 크게 달라집니다.

티타늄 분말 생산 방법

암스트롱 프로세스

• 불활성 분위기에서 나트륨/마그네슘으로 사염화티타늄을 환원합니다.
• 적층 제조에 적합한 낮은 간극의 원소 분말을 촉진합니다.

수산화물-탈수산화물(HDH) 프로세스

• 티타늄 스펀지를 구형 분말로 변환하는 가장 일반적인 방법
• 비용은 낮추되 산소 회수율은 높여야 하는 최적화 필요성

단계	세부 정보
공급원료	티타늄 잉곳 또는 스펀지
하이드레이딩	Ti와 수소를 반응시켜 부서지기 쉬운 TiH2를 만드는 공정
갈기	수화물을 미세한 분말 입자로 분쇄하기
탈수	TiH2에서 조심스럽게 수소 제거하기
컨디셔닝	건조, 혼합, 입자 크기 분포 조정
최종 테스트	화학 분석, 입자 크기 분포, 형태 검사

주요 특징:

• 15미크론에서 150미크론 사이로 조정된 입자 크기
• 일부 위성이 있는 구형에 가까운 모폴로지
• 낮은 산소 및 질소 불순물 수준 제어
• 안정화 열처리를 통한 표면 산화 최소화
• 하이드라이드 분말을 혼합하여 맞춤형 화학 물질 혼합 가능

다음 섹션에서는 티타늄 분말을 최종 사용 부품 및 구성 요소에 통합하는 몇 가지 접근 방식을 중점적으로 설명합니다.

사용 중인 애플리케이션 티타늄 금속 분말

적층 제조

• 레이저 파우더 베드 융합을 사용한 복잡한 형상 3D 프린팅
• 정형외과용 무릎/엉덩이 관절과 같은 항공우주 및 의료용 임플란트
• 다른 방식으로 가공된 부품 경량화

분말 사출 성형

• 패스너와 같은 대용량 그물 모양의 소형 부품
• 티타늄 하드웨어로의 비용 효율적인 통합

금속 사출 성형

• 얇은 벽을 가진 작고 복잡한 티타늄 부품
• 부식 방지 밸브 및 피팅

분말 야금 프레스 및 소결

• 캡슐화된 티타늄의 열간 등방성 프레싱
• 뼈의 성장 표면과 같은 다공성 구조물

열 분무

• 내마모성 및 내식성 티타늄 코팅
• 금속 코팅을 통한 마모된 부품 복구

이머징: 현재 개발 중인 초음파 통합 및 콜드 스프레이 첨가제 기술과 함께 폴리머 접착제를 사용하는 바인더 제트 3D 프린팅.

다음으로 맞춤형 티타늄 파우더 주문에 사용되는 일반적인 사양 세부 정보를 간략하게 설명합니다.

티타늄 분말 사양

시중에서 판매되는 산업용 티타늄 분말은 확립된 품질 기준을 준수합니다:

매개변수	일반적인 값
입자 크기 분포	10μm ~ 150μm
파티클 모양	주로 구형
탭 밀도	2.2g/cc ~ 3.0g/cc
겉보기 밀도	1.5g/cc ~ 2.0g/cc
순도	99.7% 티타늄 함량
산소 불순물	<2000 ppm
질소 불순물	<150 ppm
수소 불순물	<100 ppm
유동성	건식 코팅을 통한 개선

입자 공학 - 작을수록 어렵지만 더 좋습니다. 100미크론보다 크면 불완전할 위험이 있습니다.

순도 - 속성에 필수적이며 생산 경로에 따라 달라집니다.

분말 특성 - 통합 기법 및 원하는 소재 성능과 일치합니다.

상당한 사용자 지정이 가능하지만 MOQ 일괄 약정이 필요합니다. 공급 파트너십을 통해 애플리케이션 개발을 용이하게 합니다.

티타늄 분말 가공 인사이트

미세한 티타늄 분말을 취급할 때는 안전 관리가 필요한 연소 위험이 있습니다:

• 보관 및 취급 시 불활성 가스 글러브 박스 사용
• 발화원 근처에 대량으로 보관하지 마세요.
• 정전기 방지를 위한 전기 접지 장비
• 전용 진공 및 환기 시스템 사용
• 수 소화물과 같은 반응성 중간체를 열적으로 보호합니다.
• 물질의 반응성을 고려하여 엄격한 안전 프로토콜을 준수하세요.

다음 섹션에서는 전통적인 단조 금속 형태에 비해 여전히 비싼 티타늄 분말의 경제성을 살펴봅니다.

티타늄 분말 가격 분석

제품	가격 범위
R&D 등급 Ti 분말	kg당 $800+
산업용 등급	kg당 $100+
항공우주 등급	$200+ kg당
의료용 등급	kg당 $500+

분말 생산의 경제성은 부가가치에 비해 완성 부품 비용을 결정합니다. 하지만 경량화의 잠재력은 항공, 우주 및 레이싱 모빌리티 애플리케이션에 대한 채택을 정당화합니다.

생체 적합성 인증을 위한 엄격한 화학 요건으로 인해 의료 가격 책정 단계가 높아집니다. 질소 함량이 높은 파우더는 골 접촉 임플란트 장치에 적합하지 않습니다.

공급 파트너십과 적격 LTA 계약은 수출 통제 티타늄 스폰지 비용에서 가변적인 원자재 변동성을 안정화하여 최적의 가격을 확보하는 데 도움이 됩니다.

대안과의 비교

티타늄은 강철, 알루미늄 합금, 마그네슘 및 고급 복합재와 경쟁합니다:

재질	인장 강도	밀도	내식성	생체 적합성	비용
티타늄 Ti64	높음	빛	우수	우수	$$$
스테인리스 스틸 316L	Medium	무거운	양호	공정	$
알 6061	Medium	빛	Poor	양호	$
CoCr 합금	높음	무거운	우수	독성 위험	$$
Mg AZ91	낮음	가장 가벼운	공정	양호	$
픽 폴리머	Medium	낮음	우수	생체 비활성	$$$

티타늄 혜택

• 최고의 무게 대비 강도 비율
• 완벽한 내식성
• 검증된 생체 적합성
• 사용 가능한 공급 인프라

티타늄 제한 사항

• 디자인 지오메트리에 대한 높은 감도
• 까다로운 번아웃 및 디바인딩
• 반응성 분말 취급에는 제어가 필요합니다.
• 상대적으로 비싼 공급 원료 가격

이러한 기술적 및 상업적 절충점을 이해하면 티타늄 분말 야금에서 가장 큰 이점을 얻을 수 있는 이상적인 응용 분야를 파악하는 데 도움이 됩니다.

연구 개발 전망

티타늄 파우더를 개선하기 위한 새로운 노력에는 다음이 포함됩니다:

합금 디자인

• 피부과 임플란트를 위한 맞춤형 조성물
• 이국적인 원소 혼합의 고엔트로피 합금

모델링

• 열처리 중 미세 구조 변화 예측
• 파우더 재사용 한계 특성화

AM 프로세스

• 바인더 제트 프린팅 후 마이크로웨이브 소결
• 콜드 스프레이 고밀도화를 결합한 하이브리드 제조 방식

파우더 생산

• 하이드레이드를 사용하지 않는 정전기 구상화
• 재사용을 통한 저비용 티타늄 파우더 블렌딩

애플리케이션

• 항공 우주 터빈 프로토타입 검증하기
• 전자제품 열 관리 장치
• 무단 변속기 기어박스

요약

티타늄은 무게 대비 강도가 가장 높은 금속 원소이지만 전통적인 주조 및 가공 기술로는 추출 및 제작이 어렵기로 악명이 높습니다. 최근 분말 야금학의 발전으로 티타늄은 내식성과 생체 적합성을 겸비한 가볍고 고강도 인쇄 부품을 제공할 수 있는 잠재력을 갖게 되었습니다. 이제 의료, 항공우주 및 자동차 애플리케이션 전반에 걸쳐 화학적 규정을 준수함으로써 이전에는 기술적으로나 경제적으로 불가능했던 혁신적인 형상을 구현할 수 있게 되었습니다. 그러나 미세 티타늄 분말의 발열성 반응성 위험을 처리하는 것은 여전히 전문 지식의 장벽으로 남아 있어 도입을 검토할 때 각별한 주의가 필요합니다. 전문 소재 파트너와 긴밀히 협력하면 티타늄의 잠재력을 최대한 활용하면서 운영 위험을 완화할 수 있습니다.

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자주 묻는 질문(FAQ)

1) What are the most common titanium metal powder grades for AM and MIM?

• For AM: Ti-6Al-4V (Grade 5) and Ti-6Al-4V ELI (Grade 23) dominate due to strength and biocompatibility; CP-Ti Grades 1–4 are used where maximum corrosion resistance and ductility are needed. For MIM/PIM: CP-Ti Grade 2 and Ti-6Al-4V ELI are typical, with tighter interstitial controls (O, N, H).

2) Which particle size and morphology are optimal for laser powder bed fusion?

• Spherical PSD with D10 ≈ 15–20 μm, D50 ≈ 30–40 μm, D90 ≈ 50–60 μm for 30–60 μm layer thickness. Satellite content should be minimized; Hall flow 18–25 s/50 g and apparent density 2.0–2.4 g/cc support stable recoating.

3) How do oxygen and nitrogen affect titanium powder properties?

• Oxygen increases strength but reduces ductility; nitrogen drives embrittlement. For medical Ti64 ELI, typical specs are O ≤ 0.13 wt%, N ≤ 0.03 wt%, H ≤ 0.012 wt%. Exceeding these limits can fail implant standards (ASTM F3001/F2924).

4) Can titanium powder be reused in AM without degrading properties?

• Yes, with closed-loop sieving and oxygen control. Industry practice in 2025 targets ≤10–20% virgin top-up per build with O rise ≤0.03 wt% over multiple cycles. Mechanical properties must be verified per lot with density and chemistry checks.

5) What safety measures are critical when handling titanium metal powder?

• Use inert gas handling, ground equipment to prevent static discharge, Class D extinguishers for metal fires, and HEPA extraction. Avoid open flames and hot surfaces; store in sealed, dry containers; conduct DHA (dust hazard analysis) per NFPA 484.

2025 Industry Trends

• Sustainability and traceability: Buyers require full powder genealogy, EPDs, and Scope 3 data; suppliers adopt recycled Ti scrap streams with certified low interstitials.
• Ultra-low interstitial (ULI) powders: Argon atomization plus inert pack-out push O to 0.08–0.12 wt% for ELI-grade applications and thin-lattice implants.
• Binder jet maturation: Binder jet + sinter/HIP of CP-Ti and Ti64 moves from prototyping to qualified small-batch production for heat exchangers and filters.
• AI-driven process windows: ML models predict lack-of-fusion and alpha-case risk from PSD, flow, and oxygen trends, cutting trial builds.
• Pricing stabilization: Sponge supply and logistics normalize; medical-grade ELI premium persists but narrows.

Titanium metal powder benchmarks and 2025 outlook

메트릭	2023 Typical	2024 Typical	2025 Outlook	Notes/Sources
Ti64 ELI O (wt%) new powder	0.12–0.15	0.10–0.14	0.08–0.12	ASTM F3001, supplier datasheets
Reuse top-up ratio (virgin %)	20-30	15-25	10-20	AM fatigue assurance programs
LPBF build rate (cm³/h, 400W)	12–18	14–22	18–28	Higher hatch speeds/scanners
Typical relative density LPBF (%)	99.5–99.8	99.6–99.9	99.7–99.95	In-situ monitoring assists
Medical-grade powder price ($/kg)	400–700	350–650	320–600	Regional variance
Binder jet shrinkage (linear, %)	14–18	13–17	12–16	Improved sintering aids
L-PBF fatigue (R=0.1, 10⁷ cycles, MPa)	350–480	380–520	420–560	HIP + surface conditioning

Key references:

• ASTM F2924 (Ti64 AM), ASTM F3001 (Ti64 ELI AM), ASTM F67 (CP-Ti), ASTM B348 — https://www.astm.org
• MPIF standards for MIM powders — https://www.mpif.org
• ISO/ASTM 52907 (Feedstock materials) — https://www.iso.org

Latest Research Cases

Case Study 1: Medical Ti-6Al-4V ELI Lattices with Ultra-Low Oxygen (2025)

• Background: An implant OEM needed higher fatigue limits for porous acetabular cups while maintaining osteointegration.
• Solution: Switched to ULI Ti64 ELI powder (O=0.09 wt%), implemented closed-loop powder reuse with real-time O/N/H LECO checks; LPBF followed by HIP at 920°C/100 MPa and electropolishing.
• Results: High-cycle fatigue improved 11–16% versus baseline (to 540 MPa at 10⁷ cycles); strut ductility +9%; pore interconnectivity unchanged. Internal validation referencing ASTM F3001 and ISO 13314 compression of cellular metals.

Case Study 2: Binder Jet CP-Ti Heat Exchanger Qualification (2024)

• Background: An aerospace supplier pursued weight reduction and corrosion resistance for a small heat exchanger core.
• Solution: Binder jet with CP-Ti Grade 2 powder (D50 ~ 30 μm); tailored debind/sinter curve and post-HIP; helium leak testing and salt fog per ASTM B117.
• Results: 36% mass reduction vs. brazed aluminum baseline; 2.4× corrosion life in salt fog; dimensional shrinkage prediction error reduced to 0.6% using ML compensation. Pre-qualification report aligned to AMS 4998 property targets.

전문가 의견

• Prof. David L. Bourell, Additive manufacturing pioneer, The University of Texas at Austin
• “For titanium metal powder in LPBF, consistent PSD and ultra-low interstitials are as impactful as laser parameters. Powder quality is the first process parameter.” Publications via SME/ASTM AM conferences.
• Dr. Thomas Ebel, Head of AM Metals, Fraunhofer IAPT
• “Binder jetting of titanium is transitioning to production where tight oxygen control and predictive sintering models converge—especially for heat exchangers and filters.”
• Dr. Elizabeth A. Holm, Professor of Materials Science, Carnegie Mellon University
• “Data-driven powder reuse strategies can retain Ti-6Al-4V properties with minimal virgin additions when oxygen uptake is monitored and bounded.”

Organizations: Fraunhofer IAPT — https://www.iapt.fraunhofer.de, ASTM International — https://www.astm.org, ISO/ASTM 529xx series — https://www.iso.org

Practical Tools/Resources

• Standards and specs
• ASTM F2924/F3001 (AM titanium), ASTM F67 (CP-Ti), ISO/ASTM 52907 (feedstock) — https://www.astm.org, https://www.iso.org
• MPIF 35 and MIM testing methods — https://www.mpif.org
• Powder and process control
• LECO O/N/H analyzers — https://www.leco.com
• Laser diffraction PSD (ISO 13320) and SPOS imaging analysis
• In-situ LPBF monitoring (EOSTATE, Renishaw InfiniAM, 3D Systems Oqton)
• Simulation and databases
• Thermo-Calc/TCPrisma for Ti phase transformations — https://www.thermocalc.com
• nTopology/Ansys for lattice and thermal topology optimization — https://www.ntop.com, https://www.ansys.com
• Safety and compliance
• NFPA 484 combustible metals guideline — https://www.nfpa.org
• OSHA/ATEX combustible dust resources — https://www.osha.gov
• Sourcing/market
• MatWeb and Total Materia for material property lookup — https://www.matweb.com, https://www.totalmateria.com
• LME/titanium market commentary for sponge trends — https://www.lme.com

Operational checklist for Titanium Metal Powder

• Chemistry: Verify O, N, H against application (medical vs. industrial); record per-lot COA.
• PSD/Morphology: Spherical, narrow PSD matched to layer thickness; sieve management plan.
• Reuse: Define oxygen budget and virgin top-up policy; track O rise per build.
• Post-processing: HIP to close porosity; remove alpha case via machining/chemical milling.
• EHS: Conduct DHA; establish Class D fire response; maintain inert storage and HEPA capture.

Last updated: 2025-10-28
Changelog: Added 5 FAQs tailored to titanium metal powder; included 2025 trends with benchmarking table; provided two recent case studies; compiled expert opinions with authoritative affiliations; listed practical tools/resources and an operational checklist
Next review date & triggers: 2026-05-30 or earlier if ASTM/ISO AM titanium standards revise limits, major supply or pricing shifts occur, or binder jet qualification data expands for CP-Ti and Ti64