Poeder van titaniumlegering: Eigenschappen, productie en toepassingen

Poeders van titaniumlegeringen zijn geavanceerde technische materialen die gewaardeerd worden om hun hoge sterkte-gewichtsverhouding, corrosiebestendigheid en biocompatibiliteit. Dit artikel geeft een overzicht van de poedermetallurgie van titaniumlegeringen, productiemethoden, samenstellingen, mechanische eigenschappen, toepassingen in verschillende industrieën en het leverancierslandschap.

Overzicht van titanium legering poeder

Titaanlegeringspoeder bestaat uit titanium gemengd met andere metalen elementen zoals aluminium, vanadium, ijzer en molybdeen. De poeders worden geproduceerd door middel van gasatomisatie en andere methoden tot fijne bolvormige deeltjes.

Deze geavanceerde poeders worden gebruikt om hoogwaardige onderdelen te maken via poedermetallurgietechnieken zoals metaalspuitgieten, additive manufacturing en hot isostatic pressing. Onderdelen gemaakt van titaniumlegeringspoeders vertonen superieure mechanische eigenschappen in vergelijking met onderdelen gemaakt van ongelegeerd titanium.

De unieke eigenschappen van hoge sterkte, lage dichtheid, corrosiebestendigheid en biocompatibiliteit maken titaniumlegeringspoeders geschikt voor toepassingen in de ruimtevaart, de medische sector, de auto-industrie, de chemische industrie en de consument.

Voordelen van titaniumlegeringpoeder:

• Hoge sterkte-gewichtsverhouding
• Uitstekende corrosieweerstand
• Bio-inert en biocompatibel
• Mogelijkheid om eigenschappen aan te passen door samenstellingen
• Netvormig produceerbaar in componenten
• Kostenbesparingen door poedermetallurgie

Uitdagingen met poeder van titaniumlegering:

• Hoge materiaalkosten
• Reactiviteitsproblemen tijdens verwerking
• Beperkingen in haalbare eigenschappen
• Vereiste voor gecontroleerde atmosferen
• Lagere taaiheid dan concurrerende legeringen

Samenstellingen van Titaniumlegeringspoeder

Titaanlegeringen worden ingedeeld in alfa-, alfa-bèta- en bètacategorieën op basis van de microstructuur die ze na bewerking vormen. De legeringselementen, hun concentraties en thermomechanische behandelingen bepalen de microstructurele fasen.

Veel voorkomende legeringselementen in titaanlegeringspoeder:

• Aluminium (Al)
• Vanadium (V)
• Ijzer (Fe)
• Molybdeen (Mo)
• Tin (Sn)
• Zirkonium (Zr)
• Niobium (Nb)

Effecten van legeringselementen:

• Aluminium (Al) - Verbetert de sterkte en verlaagt de dichtheid
• Vanadium (V) - Versterkt alfa- en bètafasen
• IJzer (Fe) - Verhoogt sterkte en vervormbaarheid
• Molybdeen (Mo) - versterkt de legering tot 500°C
• Tin (Sn) - Verbetert de kruipweerstand
• Zirkonium (Zr) - Korrelverfijning
• Niobium (Nb) - Voorkomt de vorming van alfahulzen

Gebruikelijke poedersamenstellingen van titaniumlegeringen:

Legering	Belangrijkste elementen	Fasen	Eigenschappen
Ti-6Al-4V (klasse 5)	Al: 6%, V: 4%	Alfa + bèta	Uitstekende sterkte, matige vervormbaarheid, warmtebehandelbaar, meest gebruikte legering.
Ti-6Al-7Nb	Al: 6%, Nb: 7%	Dichtbij alfa	Hoge treksterkte, bioinert, gebruikt in medische implantaten
Ti-10V-2Fe-3Al	V: 10%, Fe: 2%, Al: 3%	Bèta	Hoogste sterkte titaniumlegering, lage ductiliteit, moeilijk te bewerken
Ti-13V-11Cr-3Al	V: 13%, Cr: 11%, Al: 3%	Alfa + bèta	Uitstekende warme hardheid en kruipweerstand tot 400°C

Effecten van samenstelling op eigenschappen:

• Een hoger Al-gehalte verhoogt de treksterkte en verlaagt de dichtheid
• Toevoeging van V, Mo, Cr verbetert de sterkte bij hoge temperatuur
• De toevoeging van Fe verhoogt de treksterkte bij kamertemperatuur
• Sn verbetert de kruipweerstand van de legering
• Zr en Nb helpen bij de controle van de korrelstructuur

Productiemethoden voor poeder van titaniumlegering

Poeder van titaanlegeringen wordt vervaardigd via geavanceerde methoden die fijne bolvormige poeders genereren uit de gesmolten legeringen. De meest voorkomende productietechnieken zijn gasatomisatie, plasma roterende elektrode proces (PREP) en plasma atomisatie.

Gasverstuiving

• Inerte gasstralen onder hoge druk verdelen de stroom gesmolten metaal in fijne druppeltjes
• Produceert poeders tussen 10 micron en 250 micron
• Meest gebruikte en economische methode
• Poeders hebben onregelmatige vormen en bevatten satellieten

Plasma-roterend elektrodeproces (PREP)

• Spinnende elektrode desintegreert legering met plasmatoortsen
• Genereert zeer sferische en gladde poeders
• Uitstekende controle over poedergrootte en distributie
• Gebruikt voor reactieve legeringen en legeringen met een hoog smeltpunt

Plasma-verneveling

• Elektrische boog of plasma verhit en atomiseert legering in druppels
• Produceert zeer sferische poeders met een goede vloeibaarheid
• Geschikt voor kleine batchproductie van fijne poeders onder 63 micron

Secundaire verwerking

De geatomiseerde poeders ondergaan een secundaire behandeling om de poedereigenschappen te verbeteren:

• Zeven naar fijne deeltjesgrootteverdelingen
• Conditionering om satellieten te verwijderen en agglomeratie te minimaliseren
• Elementaire of hoofdlegeringspoeders mengen om doelsamenstellingen te bereiken

Behandeling

• Poeders van titaniumlegeringen zijn pyrofoor (brandbaar) en vereisen gecontroleerde omgevingen met zuurstof- en vochtniveaus onder 50 ppm tijdens opslag, verwerking en handling. Gewoonlijk wordt argon gebruikt als inert afdekgas.

Mechanische eigenschappen van poeder van titaniumlegering

Trekeigenschappen

Titaanlegeringen vertonen hogere treksterkte-eigenschappen dan ongelegeerd titaan, afhankelijk van hun samenstelling en verwerkingsgeschiedenis.

Legering	Uiteindelijke treksterkte (MPa)	Opbrengststerkte (MPa)	Verlenging (%)
CP Titanium graad 1	240-550	170-480	20-25
Ti-6Al-4V ELI graad 23	860-965	795-875	10-15
Ti-6Al-7Nb Kwaliteit 26	900-1000	825-900	15-20
Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn graad 18	900-1000	800-900	8-14

Effecten van legeringselementen:

• Aluminium verbetert de sterkte door versterking in vaste oplossing
• Toevoegingen van V, Mo, Nb, Ta verhogen de sterkte bij hoge temperatuur
• IJzer verbetert de treksterkte bij kamertemperatuur

Vermoeiing en breukeigenschappen

De vermoeiingssterkte en breuktaaiheid nemen af met hogere concentraties bètastabilisatoren zoals molybdeen en vanadium. Thermomechanische behandelingen kunnen worden gebruikt om de combinatie van sterkte, vervormbaarheid, vermoeiing en breukeigenschappen te optimaliseren.

Industriële toepassingen van Titaniumlegeringspoeder

De uitstekende sterkte, corrosiebestendigheid, hardheid en biocompatibiliteit van titaanlegeringen maken ze geschikt voor kritieke toepassingen in verschillende industrieën.

Luchtvaartindustrie

• Hydraulische systemen voor vliegtuigen
• Drijfstoftank van ruimtevaartuig
• Onderdelen voor casco en landingsgestel
• Motoronderdelen zoals compressorbladen, -schijven en -behuizingen

Medische en tandheelkundige industrie

• Orthopedische implantaten zoals heupgewrichten, botplaten en schroeven
• Chirurgische instrumenten en bio-implantaten
• Orthodontische beugels
• Tandheelkundige implantaten

Auto-industrie

• Drijfstangen, inlaatkleppen, klepveerborgers
• Motorfiets- en raceonderdelen
• Onderdelen uitlaatsysteem

Chemische industrie

• Warmtewisselaars, condensors en leidingen
• Procesapparatuur voor corrosiebestendigheid
• Apparatuur voor ontzilting en verontreinigingsbeheersing

Consumentenindustrie

• Horloges en sieraden
• Sportuitrusting zoals fietsframes, golfclubs, lacrossesticks
• Oogmonturen, piercings en ringen

Andere applicaties

• Scheepvaart - Schroeven, sonarkoepels, ontziltingsinstallaties
• Energieopwekking – Stoom- en gasturbinecomponenten
• Architectuur - Decoratieve gevelpanelen, leuningen, daken

De uitstekende verhouding tussen sterkte en gewicht maakt titaanlegeringen ook geschikt om stalen en aluminium onderdelen in alle industrieën te vervangen.

Specificaties en normen

Titaanlegeringspoeders worden geproduceerd volgens ASTM-normen die de aanvaardbare zuurstof-, stikstof-, koolstof- en ijzergehaltes voor verschillende kwaliteiten bepalen.

Standaard	Toepassingsgebied
ASTM B348	Specificaties voor staven en knuppels van titaan en titaanlegeringen
ASTM B939	Testmethoden voor titaniumlegeringspoeders
ASTM F67	Specificatie voor ongelegeerd titanium staven voor chirurgische implantaten
ASTM F1472	Specificatie voor gesmeed titaan 6Al-4V ELI voor chirurgische implantaten

Leveranciers van poeder van titaniumlegering

Poeders van titaniumlegeringen worden geleverd door producenten van speciale metaalpoeders die verschillende kwaliteiten op maat maken voor toepassingen in de industrie.

Belangrijkste fabrikanten van titaniumlegeringspoeder:

Bedrijf	Productiecapaciteit	Legeringen
AMETEK	5.000 ton per jaar	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-13V-11Cr-3Al
AP&C	7.500 ton per jaar	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-555, Ti-1023
Tekna	3.500 ton per jaar	Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-7Nb
Timmerman Technologieën	3.000 ton per jaar	Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al
Praxair	4.000 ton per jaar	CP Ti, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb

Belangrijke distributeurs van titaniumlegeringspoeder:

• Atlantische apparatuuringenieurs
• Micron metalen
• TLS-techniek
• Wereldwijd titanium

Kostenanalyse

Titaanlegeringspoeders variëren tussen $$$/kg tot $$$/kg afhankelijk van de samenstelling, productiemethode, vorm, grootteverdeling, kwaliteit, bestelvolume en geografische regio.

Over het algemeen zijn poeders die gemaakt zijn met vacuümgebaseerde methoden (plasmaverneveling, PREP) duurder dan poeders die gemaakt zijn met inert gas. Fijne poeders van medische kwaliteit onder 45 micron zijn duurder.

Mogelijkheden voor kostenbesparing:

• Minder dure Ti-6Al-4V gebruiken in plaats van hoogwaardige legeringen
• Vervang titanium door roestvrij staal of aluminiumlegeringen
• Gebruik maken van additieve productie vs. CNC-bewerking
• Koop in grote hoeveelheden om te profiteren van kwantumkortingen

Vergelijking tussen titaniumsoorten

Ti-6Al-4V vs. Ti-6Al-7Nb legeringen:

Eigendom	Ti-6Al-4V	Ti-6Al-7Nb
Treksterkte	895 MPa	980 MPa
Opbrengststerkte	825 MPa	900 MPa
Dikte	4,43 g/cc	4,52 g/cc
Bio-inertie	Gematigd	Hoog
Kosten	Lager	Hoger

Ti-6Al-4V vs. CP Titaankwaliteit 1:

• Ti-6Al-4V heeft 2x hogere trek- en vloeigrens
• CP rang 1 biedt betere rekbaarheid aan - 25% verlenging vs 10-15%
• Ti-6Al-4V is 45% sterker in gewicht dan CP titanium.
• CP titanium is beter vervormbaar en gemakkelijker te bewerken dan de legering

Gas- vs. plasmaverstuivingsmethoden:

Eigendom	Gasverstuiving	Plasma-verneveling
Deeltjesvorm	Onregelmatig met satellieten	Zeer bolvormig
Zuurstof pick-up	Gematigd	Lagere zuurstofniveaus
Kosten	Lager	Hoger
Productiviteit	Hoger	Lager

Verwerkingsmethoden voor Titaniumlegeringspoeder

De drie belangrijkste poederbewerkingsroutes voor de productie van titanium onderdelen zijn:

Metaalspuitgieten (MIM)

• Productie van grote volumes kleine, complexe onderdelen
• Combinatie van kunststof spuitgieten en sinteren van metaalpoeder
• Uitstekende maatnauwkeurigheid en oppervlakteafwerking
• Ruimtevaart en medische toepassingen

Additieve Productie (AM)

• Direct 3D printen van onderdelen vanuit CAD-gegevens
• Ontwerpvrijheid voor complexe, lichtgewicht geometrieën
• Titaanlegeringen zoals Ti-6Al-4V veel gebruikt
• Gebruikt in verschillende industrieën - medisch, lucht- en ruimtevaart, auto-industrie

Heet isostatisch persen (HIP)

• Consolideren van ingekapselde poeders met hitte en isostatische druk
• Bereikt hoge dichtheden in complexe vormen
• Lage kosten in vergelijking met het bewerken van massief metaal
• Gebruikt voor vliegtuigen en medische onderdelen

Veelgestelde vragen

Wat zijn de verschillende kwaliteiten van titaniumlegeringspoeder?

De meest voorkomende titaniumlegeringskwaliteiten zijn Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-10V-2Fe-3Al en Ti-13V-11Cr-3Al. Het rangnummer geeft de samenstelling aan - Ti-6Al-4V bevat bijvoorbeeld 6% aluminium en 4% vanadium.

Waarom is Ti-6Al-4V de populairste titaniumlegering?

Ti-6Al-4V biedt de beste combinatie van licht gewicht, corrosiebestendigheid, fabricagegemak en kosten. Het heeft een uitstekende sterkte in alfa + bèta toestand en kan verder warmtebehandeld worden. Het is goed voor meer dan 50% van al het titaniumgebruik.

Welke deeltjesgroottes zijn er beschikbaar voor titaniumlegeringspoeders?

Titaanlegeringspoeders voor additieve productie variëren van 15 tot 45 micron. Fijnere poeders onder 25 micron maken een hogere resolutie mogelijk, maar zijn duurder. Voor MIM-toepassingen wordt de voorkeur gegeven aan grotere poederformaten tussen 45 en 250 micron.

Waardoor vat titaniumpoeder vlam?

Titaanpoeders hebben een hoge affiniteit voor zuurstof en kunnen spontaan ontbranden als ze aan lucht worden blootgesteld. De pyrofore aard vereist een omgeving met inert gas tijdens de verwerking, opslag en handling. Zelfs vocht en olieresten kunnen brand veroorzaken.

Waarom is titaniumlegeringspoeder duur?

Bij de productie van titaniumlegeringen in poedervorm komen complexe vacuümsmeltprocessen onder inerte atmosfeer kijken, waardoor het duurder is dan staal en aluminiumlegeringen. Ook de hogere grondstofkosten, het energieverbruik, de afvalproductie en de lage herbruikbaarheid van het poeder dragen bij aan de hoge verkoopprijs.

Welke industrieën gebruiken titaniumlegeringspoeder?

De belangrijkste toepassingsgebieden zijn de ruimtevaart, de medische en tandheelkundige industrie, de automobielindustrie, de scheepvaart, sportuitrusting en chemische verwerking vanwege de hoge sterkte, het lage gewicht en de corrosiebestendigheid. De biocompatibiliteit maakt gebruik in chirurgische implantaten en orthodontische draden mogelijk.

ken meer 3D-printprocessen