Titanium Ti-64 voor 3D printen van metaal

titanium ti-64 voor 3d printen van metaalafgekort Ti-64, is een titaniumlegering van ruimtevaartkwaliteit die veel wordt gebruikt voor kritieke additieve productietoepassingen in de ruimtevaart, de medische sector, de auto-industrie en de algemene machinebouw. Deze gids biedt een technisch overzicht van Ti-64 poedermetallurgie inclusief samenstelling, mechanische eigenschappen, AM verwerkingsdetails, nabehandelingen, toepassingen, kostenanalyse, productspecificaties en vergelijkingen met alternatieve titaniumsoorten.

Overzicht van titanium ti-64 voor 3d printen van metaal

Ti-6Al-4V (graad 5) titaniumlegering levert een optimale balans van sterkte, breuktaaiheid en corrosiebestendigheid in combinatie met bewezen biocompatibiliteit - waardoor het de meest gebruikte materiaalkeuze is voor bedrijfskritische 3D-geprinte metalen onderdelen in verschillende industrieën.

Nu AM opschaalt van prototypes naar serieproductie voor vliegklare luchtvaartonderdelen en patiëntspecifieke implantaten, is Ti-64 het referentiepoeder geworden waarmee nieuwe materialen worden vergeleken.

Het biedt:

• Uitstekende sterkte-gewichtsverhouding
• Hoge hardheid en breuktaaiheid tot 550 MPa
• Vervormbaarheid voor complexe geometrieën
• Biocompatibiliteit en niet-toxiciteit
• Geteste stamboom over decennia
• Beschikbare toeleveringsketen en kostenefficiëntie

Lees verder voor diepgaande technische informatie over poedermetallurgiebenaderingen voor het maken van 3D-geprinte titanium Ti-64 onderdelen.

Samenstelling en ontwerp van de legering

De titaan Ti-64-legering bestaat voornamelijk uit titaan met toevoegingen van aluminium en vanadium:

Element	Gewicht %	Rol
Titaan (Ti)	Balans, ~90%	Corrosiebestendigheid, biocompatibiliteit
Aluminium (Al)	5.5-6.75%	Solide oplossingsversterker
Vanadium (V)	3.5-4.5%	Fasestabilisator
Ijzer (Fe)	<0,3%	Verontreinigende stof
Zuurstof (O)	<0,2%	Verontreinigende stof

Sporenelementen zoals koolstof, stikstof en waterstof worden geminimaliseerd omdat ze de mechanische eigenschappen aantasten. IJzer- en zuurstofconcentraties worden ook laag gehouden.

Het aluminium stabiliseert de alfa-fase terwijl vanadium bij de juiste warmtebehandeling versterkende bèta-precipitaten vormt. Deze dubbele fasenborgenixatie zorgt voor uitstekende prestaties.

Belangrijkste eigenschappen van Ti-64

• Opbrengststerkte: 880 MPa
• Treksterkte: 950 MPa
• Rek: 14%
• Hardheid: 350 Brinell
• Vermoeidheidslimiet: 500 MPa
• Breuktaaiheid: 75 MPa√m
• Afschuifsterkte: 690 MPa
• Modulus van Young: 115 GPa
• Dikte 4,43 g/cc
• Smeltpunt: 1604°C

Deze eigenschappen zijn sterk afhankelijk van de juiste warmtebehandeling die later wordt besproken. De waarden variëren ook licht tussen draad- en poederbed AM processen, waardoor de parameters aangepast moeten worden.

titanium ti-64 voor 3d printen van metaal Productie

Medische en luchtvaarttoepassingen vereisen strenge controles om defectvrije builds te realiseren, dus de poederproductie volgt strikte specificaties:

Stappen	Details
Ingot gieten	Drievoudig booggesmolten ingot gegoten met strenge chemiecontrole
Omsmelten	Optionele VAR- of ESR-zuivering voor kritische toepassingen
Gasverstuiving	Hogedrukontlading van inert argongas vormt fijne druppels
Zeven	Meerdere classificatiefasen volgens de normen voor deeltjesgrootteverdeling (PSD)
Conditionering	Uitdroging, mengen, vloeitoevoegingen
Eindtest	PSD, Hall stroomsnelheid, chemische testen, SEM-beelden
Verpakking	Vochtbestendige argon gevulde blikken of flessen

Opvallende kenmerken:

• Sferische deeltjesmorfologie met weinig satellieten
• Vloeibaar poeder zonder klonteren of klonteren
• Gecontroleerde PSD-band met meerderheidsverdeling tussen 15 micron en 45 micron
• Chemische stoffen die voldoen aan ASTM F2924- en F3001-graden
• Consistente batches met herhaalbaarheidsgegevens over grote productievolumes
• Documenten traceerbaarheid naar bron ingot gietstukken

Een dergelijke strenge productiecontrole garandeert betrouwbare defectvrije afdrukken na gevalideerde aanpassingen van de machineparameters.

Toepassingen van titanium ti-64 voor 3d printen van metaal

De biocompatibiliteit van de legering en de hoge sterkte-gewichtsverhouding zijn geschikt voor talloze kritische toepassingen:

Lucht- en ruimtevaart

• Structurele beugels, schotten en landingsgestelonderdelen
• Turbineschoepen en waaiers
• Interieuronderdelen voor vliegtuigen

Medisch & tandheelkundig

• Orthopedische implantaten zoals knie- en heupgewrichten en ruggengraatkooien
• Tandheelkundige abutments en bruggen
• Chirurgische instrumenten die gesteriliseerd moeten worden

Automobiel

• Lichtgewicht zuigers, drijfstang
• Onderdelen voor luxe- en raceauto's, inclusief kleppen

Chemische verwerking

• Corrosiebestendige vloeistofverwerkende onderdelen zoals leidingen, kleppen
• Filters en behuizingen die voldoen aan de voedsel- en farmaceutische normen

3D-geprinte Ti-64 wordt ook steeds meer gebruikt in hoogwaardige industrieën zoals robotica, sportartikelen en thermisch beheer van elektronica, waarbij gebruik wordt gemaakt van ontwerpvrijheid.

Vervolgens gaan we dieper in op populaire poederbedfusietechnieken die worden gebruikt om dit veelzijdige legeringspoeder te verwerken tot bedrijfskritische afgewerkte componenten.

Metaal 3D printen met titanium Ti-64 poeder

Zowel laser- als elektronenstraalpoederbedtechnologieën smelten Ti-64 laag voor laag tot volledige dichtheid over een bouwplaat:

Laserpoederbedfusie (L-PBF)

• Selectief lasersmelten (SLM) en direct metaal lasersinteren (DMLS)
• Gerichte hoogvermogen Yb- of Nd:YAG-vezellasers
• Inerte argonatmosfeer met zuurstofniveaus onder 500 ppm
• Optische monitoring in realtime van smeltpoelen

Elektronenbundel poederbedfusie (E-PBF)

• Krachtige elektronenbundel van 60 kV tot 150 kV in vacuüm
• Ultrasnelle scansnelheden van bundels boven 25.000 mm/sec
• Hoge productiviteit voor kleinere componenten
• Diepere penetratie last titanium gemakkelijker

Voor grotere onderdelen kunnen draadgevoede DED-methoden (directed energy deposition) materiaal toevoegen over basisstructuren. Met meerdere AM-methoden kunnen mechanica en oppervlakteafwerking worden geoptimaliseerd.

Voordelen

• Complexe geometrieën die niet worden ondersteund bij gieten of machinaal bewerken
• Kortere doorlooptijden en lagere kosten in vergelijking met subtractieve stappen
• Minimale materiaalverspilling en buy-to-fly ratio's van meer dan 90%
• Consistente resultaten bij lange bouwprojecten als ze eenmaal zijn ingesteld
• Ontwerpvrijheid maakt prestatieverhoging mogelijk

Om hiervan te profiteren, is een zorgvuldige voor- en nabewerking echter van vitaal belang.

Stappen voor en na de verwerking

Om defectvrije builds te realiseren zijn geïntegreerde protocollen nodig:

Voorbewerking

• Testmatrices voor parameteroptimalisatie op speciale machines
• Bewaking van poedercondities en hergebruik van mengverhoudingen
• Initiële warmtebehandelingen om uniforme deeltjeskarakteristieken te garanderen
• Zorgvuldig nesten en oriënteren van onderdelen op de bouwplaat

Nabewerking

• Onderdelen van plaat verwijderen via draad-EDM / bandzagen
• Uitgebreide downstream bewerking en afwerking
• Heet isostatisch persen (HIP) om interne holtes te elimineren
• Oplos-, verouderings- en stabilisatiewarmtebehandelingen
• Validatietests voor eindkwaliteitsborging

Dergelijke uitgebreide verwerkingscontroles maken het mogelijk om het volledige potentieel van additieve productie met Ti-64 aan te boren en niet alleen te vertrouwen op printers.

Specificaties

Voor batches van Ti-64 legeringen voor medische of luchtvaartgebruikers is certificering vereist:

Parameter	Typische waarden
Chemie per AMS 4928	Bovenstaande tabel
Deeltjesgrootteverdeling	D10 20 μm, D50 35 μm, D90 50 μm
Morfologie	Overwegend bolvormig + satellieten
Schijnbare dichtheid	2,7 - 3,2 g/cc
Tik op dichtheid	3,2 - 4,0 g/cc
Stroomsnelheid	30 - 35 sec voor 50g, Hall trechter
Zuurstofanalyse aan het oppervlak	< 2000 ppm
Onzuiverheden	Fe < 3000 ppm, H< 100 ppm

Op maat zeven in strakkere banden is mogelijk, maar verhoogt de kosten. Het afstemmen van de AM-machineparameters van de klant en goedgekeurde kwaliteitscontroles zorgen voor herhaalbaarheid van prestaties bij productietaken.

titanium ti-64 voor 3d printen van metaal Beschikbaarheid en kostenanalyse

Ti-6Al-4V van ruimtevaartkwaliteit heeft een hogere kostprijs dan standaard Ti-kwaliteiten dankzij gespecialiseerd smelten, strenge QC-tests en poedervormengineering:

Product	Hoeveelheid	Prijsbereik
Ti-64 R&D-poeder	0,5 kg	$500+
Ti-64 prototypeerpoeder	10 kg	$150+ per kg
Ti-64 Productiepoeder	1000+ kg	$50+ per kg

De kosten blijven aan de hoge kant, maar blijven verbeteren naarmate AM het gebruik van de Ti-64 legering opschaalt, waardoor de schaal van de productie geoptimaliseerd kan worden. Kleine R&D-monsters kunnen nu worden gekocht zonder MOQ's, maar productieopdrachten vereisen orderprognoses.

Ti-64 vs. alternatieve titaniumlegeringen vergelijken

Hoewel Ti-64 het breedst wordt toegepast, wedijveren andere kwaliteiten nu als alternatieve AM-opties:

Legering	Kracht	Ductiliteit	Oxidatie weerstand	Kosten
Ti-64 (Ti-6Al-4V)	Heel hoog	Medium	Medium	$$$
Ti-5553 (Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr)	Heel hoog	Medium	Beter	$$$
Ti-1023 (Ti-10V-2Fe-3Al)	Hoog	Hoger	Goed	$$
Ti-48Al-2Cr-2Nb (Ti4822)	Medium	Broos	Beste	$$$$

De belangrijkste voordelen van conventionele Ti-64 zijn:

• Bewezen materiaalstamboom van meer dan 30 jaar
• Gladdere oppervlakteafwerkingen in AM-gebouwen
• Vastgestelde warmtebehandelingsprotocollen
• Toelaatbare gegevens voor ontwerpkwalificatie
• Gemakkelijk verkrijgbaar met concurrerend aanbod

Beperkingen van Ti-64:

• Niet het absoluut sterkste titanium
• Gevoelig voor thermische oxidatie zonder controles
• Uitgebreid heet isostatisch persen (HIP) vereist

Elk van de beschreven afwegingen helpt dus bij het selecteren van geoptimaliseerde kwaliteiten voor de vereisten van de toepassing.

Samenvatting

Additive manufacturing geeft ingenieurs ongekende vrijheid om hoogwaardige titanium Ti-64 componenten te ontwerpen die ongeëvenaard zijn door oudere technieken. Door opkomende digitale mogelijkheden te combineren met uitgebreide materiaalgegevens die meer dan 30 jaar zijn gevalideerd in de ruimtevaart en medische toepassingen, kunnen ingenieurs innovatieve nieuwe 3D-geprinte geometrieën gebruiken die de voordelen van Ti-64 benutten met minder kwalificatierisico. Zorgvuldige controles blijven echter van vitaal belang bij de poederproductie, opslag, metaal-AM verwerking en nabehandelingen om het volledige potentieel van deze veelzijdige hoogsterkte legering te benutten.

ken meer 3D-printprocessen