Proszek ze stopu tytanu: Właściwości, produkcja i zastosowania

Proszki ze stopów tytanu to zaawansowane materiały inżynieryjne cenione za wysoki stosunek wytrzymałości do masy, odporność na korozję i biokompatybilność. Niniejszy artykuł zawiera przegląd metalurgii proszków stopów tytanu, metod produkcji, składu, właściwości mechanicznych, zastosowań w różnych branżach i krajobrazu dostawców.

Przegląd proszku ze stopu tytanu

Proszek ze stopu tytanu składa się z tytanu zmieszanego z innymi pierwiastkami metalicznymi, takimi jak aluminium, wanad, żelazo i molibden. Proszki są wytwarzane poprzez atomizację gazową i innymi metodami do postaci drobnych kulistych cząstek.

Te zaawansowane proszki są wykorzystywane do produkcji wysokowydajnych komponentów za pomocą technik metalurgii proszków, takich jak formowanie wtryskowe metali, produkcja addytywna i prasowanie izostatyczne na gorąco. Części wykonane z proszków stopów tytanu wykazują lepsze właściwości mechaniczne w porównaniu do tych wykonanych z niestopowego tytanu.

Unikalne cechy wysokiej wytrzymałości, niskiej gęstości, odporności na korozję i biokompatybilności sprawiają, że proszki ze stopów tytanu nadają się do zastosowań w przemyśle lotniczym, medycznym, motoryzacyjnym, chemicznym i konsumenckim.

Zalety proszku ze stopu tytanu:

• Wysoki stosunek wytrzymałości do wagi
• Doskonała odporność na korozję
• Bioinertny i biokompatybilny
• Możliwość dostosowania właściwości za pomocą kompozycji
• Możliwość produkcji komponentów w kształcie siatki
• Oszczędność kosztów dzięki metalurgii proszków

Wyzwania związane z proszkiem ze stopu tytanu:

• Wysoki koszt materiałów
• Problemy z reaktywnością podczas obsługi i przetwarzania
• Ograniczenia w osiągalnych właściwościach
• Wymagania dotyczące kontrolowanej atmosfery
• Niższa ciągliwość niż w przypadku konkurencyjnych stopów

Kompozycje Proszek ze stopu tytanu

Stopy tytanu są klasyfikowane w kategoriach alfa, alfa-beta i beta zgodnie z mikrostrukturą, którą tworzą po przetworzeniu. Pierwiastki stopowe, ich stężenia i obróbka termomechaniczna determinują fazy mikrostrukturalne.

Wspólne pierwiastki stopowe w proszku stopu tytanu:

• Aluminium (Al)
• Wanad (V)
• Żelazo (Fe)
• Molibden (Mo)
• Cyna (Sn)
• Cyrkon (Zr)
• Niob (Nb)

Wpływ pierwiastków stopowych:

• Aluminium (Al) - poprawia wytrzymałość i obniża gęstość
• Wanad (V) - wzmacnia fazy alfa i beta
• Żelazo (Fe) - zwiększa wytrzymałość i plastyczność
• Molibden (Mo) - wzmacnia stop do 500°C
• Cyna (Sn) - poprawia odporność na pełzanie
• Cyrkon (Zr) - Uszlachetnianie ziaren
• Niob (Nb) - Zapobiega tworzeniu się przypadków alfa.

Typowe składy proszków stopów tytanu:

Stop	Kluczowe elementy	Fazy	Właściwości
Ti-6Al-4V (klasa 5)	Al: 6%, V: 4%	Alfa + beta	Doskonała wytrzymałość, umiarkowana ciągliwość, możliwość obróbki cieplnej, najczęściej stosowany stop
Ti-6Al-7Nb	Al: 6%, Nb: 7%	Blisko alfa	Wysoka wytrzymałość na rozciąganie, obojętny biologicznie, stosowany w implantach medycznych
Ti-10V-2Fe-3Al	V: 10%, Fe: 2%, Al: 3%	Beta	Stop tytanu o najwyższej wytrzymałości, niskiej plastyczności, trudny w obróbce
Ti-13V-11Cr-3Al	V: 13%, Cr: 11%, Al: 3%	Alfa + beta	Doskonała twardość na gorąco i odporność na pełzanie do 400°C

Wpływ składu na właściwości:

• Zwiększenie zawartości Al zwiększa wytrzymałość na rozciąganie i zmniejsza gęstość.
• Dodatek V, Mo, Cr poprawia wytrzymałość w wysokich temperaturach
• Dodatek Fe zwiększa wytrzymałość na rozciąganie w temperaturze pokojowej
• Sn poprawia odporność stopu na pełzanie
• Zr i Nb pomagają w kontroli struktury ziarna

Metody produkcji proszku ze stopu tytanu

Proszek ze stopu tytanu jest wytwarzany za pomocą zaawansowanych metod, które generują drobne sferyczne proszki ze stopionych stopów. Najpopularniejsze techniki produkcji obejmują atomizację gazową, proces plazmowej elektrody rotacyjnej (PREP) i atomizację plazmową.

Atomizacja gazu

• Strumienie gazu obojętnego pod wysokim ciśnieniem rozbijają strumień stopionego metalu na drobne kropelki.
• Generuje proszki o wielkości od 10 mikronów do 250 mikronów
• Najczęściej stosowana i ekonomiczna metoda
• Proszki mają nieregularne kształty i zawierają satelity

Proces plazmowej elektrody rotacyjnej (PREP)

• Wirująca elektroda rozbija stop za pomocą palników plazmowych
• Generuje bardzo kuliste i gładkie proszki
• Doskonała kontrola nad wielkością i dystrybucją proszku
• Używany do stopów reaktywnych i stopów o wysokiej temperaturze topnienia

Atomizacja plazmowa

• Łuk elektryczny lub plazma podgrzewa i rozpyla stop na kropelki
• Produkuje wysoce sferyczne proszki o dobrej sypkości
• Nadaje się do produkcji małych partii drobnych proszków poniżej 63 mikronów

Przetwarzanie wtórne

Zatomizowane proszki poddawane są wtórnej obróbce w celu poprawy właściwości proszku:

• Przesiewanie do drobnych rozkładów wielkości cząstek
• Kondycjonowanie w celu usunięcia satelitów i zminimalizowania aglomeracji
• Mieszanie proszków pierwiastków lub stopów wzorcowych w celu uzyskania docelowego składu

Uwagi dotyczące obsługi

• Proszki ze stopów tytanu są piroforyczne (łatwopalne) i wymagają kontrolowanego środowiska z poziomem tlenu i wilgoci poniżej 50 ppm podczas przechowywania, przetwarzania i obsługi. Argon jest powszechnie stosowany jako obojętny gaz osłonowy.

Właściwości mechaniczne proszku ze stopu tytanu

Właściwości rozciągające

Stopy tytanu wykazują wyższą wytrzymałość na rozciąganie w porównaniu do niestopowego tytanu, w zależności od ich składu i historii przetwarzania.

Stop	Ostateczna wytrzymałość na rozciąganie (MPa)	Granica plastyczności (MPa)	Wydłużenie (%)
CP Titanium Grade 1	240-550	170-480	20-25
Ti-6Al-4V ELI klasa 23	860-965	795-875	10-15
Ti-6Al-7Nb Klasa 26	900-1000	825-900	15-20
Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn gatunek 18	900-1000	800-900	8-14

Wpływ pierwiastków stopowych:

• Aluminium zwiększa wytrzymałość dzięki wzmocnieniu roztworem stałym
• Dodatki V, Mo, Nb, Ta zwiększają wytrzymałość w wysokich temperaturach
• Żelazo zwiększa wytrzymałość na rozciąganie w temperaturze pokojowej

Właściwości zmęczeniowe i pękanie

Wytrzymałość zmęczeniowa i odporność na pękanie zmniejszają się przy wyższych stężeniach stabilizatorów beta, takich jak molibden i wanad. Obróbka termomechaniczna może być wykorzystana do optymalizacji kombinacji wytrzymałości, plastyczności, zmęczenia i odporności na pękanie.

Przemysłowe zastosowania Proszek ze stopu tytanu

Doskonała wytrzymałość, odporność na korozję, twardość i biokompatybilność stopów tytanu sprawiają, że nadają się one do krytycznych zastosowań w różnych branżach.

Przemysł lotniczy

• Systemy hydrauliczne statków powietrznych
• Zbiornik paliwa statku kosmicznego
• Elementy płatowca i podwozia
• Części silnika, takie jak łopatki, tarcze i obudowy sprężarek

Branża medyczna i stomatologiczna

• Implanty ortopedyczne, takie jak stawy biodrowe, płytki kostne i śruby
• Narzędzia chirurgiczne i bioimplanty
• Łuki ortodontyczne
• Implanty dentystyczne

Przemysł motoryzacyjny

• Korbowody, zawory dolotowe, zabezpieczenia sprężyn zaworowych
• Części motocyklowe i wyścigowe
• Części układu wydechowego

Przemysł chemiczny

• Wymienniki ciepła, skraplacze i orurowanie
• Sprzęt procesowy zapewniający odporność na korozję
• Sprzęt do odsalania i kontroli zanieczyszczeń

Przemysł konsumencki

• Zegarki i biżuteria
• Sprzęt sportowy, taki jak ramy rowerowe, kije golfowe, kije do lacrosse'a
• Oprawki okularów, piercing i pierścionki

Inne aplikacje

• Morskie - śmigła, kopuły sonarowe, instalacje odsalające
• Wytwarzanie energii - Elementy turbin parowych i gazowych
• Architektura - Dekoracyjne panele elewacyjne, poręcze, dachy

Doskonały stosunek wytrzymałości do masy sprawia, że stopy tytanu mogą zastąpić komponenty stalowe i aluminiowe we wszystkich gałęziach przemysłu.

Specyfikacje i standardy

Proszki ze stopów tytanu są produkowane zgodnie z normami ASTM, które określają dopuszczalne poziomy tlenu, azotu, węgla i żelaza dla różnych gatunków.

Standard	Zakres
ASTM B348	Specyfikacja prętów i kęsów z tytanu i stopów tytanu
ASTM B939	Metody testowania proszków stopów tytanu
ASTM F67	Specyfikacja prętów z niestopowego tytanu do implantów chirurgicznych
ASTM F1472	Specyfikacja kutego tytanu 6Al-4V ELI do implantów chirurgicznych

Dostawcy proszku ze stopu tytanu

Proszki ze stopów tytanu są dostarczane przez wyspecjalizowanych producentów proszków metali, którzy wytwarzają różne gatunki dostosowane do zastosowań przemysłowych.

Kluczowi producenci proszków ze stopów tytanu:

Firma	Zdolność produkcyjna	Stopy
AMETEK	5 000 ton rocznie	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-13V-11Cr-3Al
AP&C	7 500 ton rocznie	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-555, Ti-1023
Tekna	3 500 ton rocznie	Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-7Nb
Carpenter Technologies	3 000 ton rocznie	Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al
Praxair	4 000 ton rocznie	CP Ti, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb

Kluczowi dystrybutorzy proszku ze stopu tytanu:

• Atlantic Equipment Engineers
• Micron Metals
• TLS Technik
• Global Titanium

Analiza kosztów

Proszki ze stopów tytanu mieszczą się w zakresie od $$$/kg do $$$/kg w zależności od składu, metody produkcji, kształtu, rozkładu wielkości, jakości, wielkości zamówienia i regionu geograficznego.

Generalnie proszki wytwarzane metodami próżniowymi (atomizacja plazmowa, PREP) kosztują więcej niż proszki rozpylane gazem obojętnym. Drobne proszki medyczne poniżej 45 mikronów są droższe.

Możliwości oszczędzania kosztów:

• Zastosowanie tańszego stopu Ti-6Al-4V zamiast stopów premium
• Zastąpienie tytanu stalą nierdzewną lub stopami aluminium
• Produkcja addytywna a obróbka CNC
• Kupuj hurtowo, aby skorzystać z rabatów ilościowych

Porównanie gatunków tytanu

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

Nieruchomość	Ti-6Al-4V	Ti-6Al-7Nb
Wytrzymałość na rozciąganie	895 MPa	980 MPa
Granica plastyczności	825 MPa	900 MPa
Gęstość	4,43 g/cm3	4,52 g/cm3
Obojętność biologiczna	Umiarkowany	Wysoki
Koszt	Niższy	Wyższy

Ti-6Al-4V vs. CP Titanium Grade 1:

• Ti-6Al-4V ma 2-krotnie wyższą wytrzymałość na rozciąganie i granicę plastyczności
• CP Grade 1 oferuje lepszą ciągliwość - wydłużenie 25% vs 10-15%
• Ti-6Al-4V jest 45% mocniejszy wagowo niż tytan CP
• Tytan CP jest bardziej podatny na formowanie i łatwiejszy w obróbce niż stop

Metody atomizacji gazowej i plazmowej:

Nieruchomość	Atomizacja gazu	Atomizacja plazmowa
Kształt cząsteczki	Nieregularne z satelitami	Wysoce sferyczny
Odbiór tlenu	Umiarkowany	Niższy poziom tlenu
Koszt	Niższy	Wyższy
Wydajność	Wyższy	Niższy

Metody przetwarzania dla Proszek ze stopu tytanu

Trzy główne metody przetwarzania proszku do produkcji komponentów tytanowych to:

Formowanie wtryskowe metali (MIM)

• Wysokonakładowa produkcja małych, złożonych części
• Połączenie formowania wtryskowego tworzyw sztucznych i spiekania proszków metali
• Doskonała dokładność wymiarowa i wykończenie powierzchni
• Zastosowania lotnicze i medyczne

Produkcja addytywna (AM)

• Bezpośrednie drukowanie 3D komponentów z danych CAD
• Swoboda projektowania dla złożonych, lekkich geometrii
• Szeroko stosowane stopy tytanu, takie jak Ti-6Al-4V
• Używane w różnych branżach - medycznej, lotniczej, motoryzacyjnej

Prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP)

• Konsolidacja kapsułkowanych proszków przy użyciu ciepła i ciśnienia izostatycznego
• Osiąga wysoką gęstość w złożonych kształtach
• Niski koszt w porównaniu z obróbką litego metalu
• Używany w samolotach i komponentach medycznych

Najczęściej zadawane pytania

Jakie są różne gatunki proszku ze stopu tytanu?

Najpopularniejsze gatunki stopów tytanu obejmują Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-10V-2Fe-3Al i Ti-13V-11Cr-3Al. Numer gatunku wskazuje skład - na przykład Ti-6Al-4V zawiera 6% aluminium i 4% wanadu.

Dlaczego Ti-6Al-4V jest najpopularniejszym stopem tytanu?

Ti-6Al-4V oferuje najlepsze połączenie lekkości, odporności na korozję, łatwości produkcji i kosztów. Ma doskonałą wytrzymałość w stanie alfa + beta i może być poddawany dalszej obróbce cieplnej. Stanowi on ponad 50% całego zużycia tytanu.

Jakie rozmiary cząstek są dostępne dla proszków ze stopów tytanu?

Proszki ze stopów tytanu do produkcji addytywnej mają wielkość od 15 do 45 mikronów. Drobniejsze proszki poniżej 25 mikronów zapewniają wyższą rozdzielczość, ale są droższe. W przypadku zastosowań MIM preferowane są proszki o większych rozmiarach od 45 do 250 mikronów.

Co powoduje zapalenie się proszku tytanowego?

Proszki tytanowe mają wysokie powinowactwo do tlenu i mogą ulec samozapłonowi, jeśli zostaną wystawione na działanie powietrza. Piroforyczna natura wymaga środowiska gazu obojętnego podczas obsługi, przechowywania i przetwarzania. Nawet wilgoć i pozostałości oleju mogą zainicjować pożar.

Dlaczego proszek ze stopu tytanu jest drogi?

Produkcja proszku ze stopu tytanu obejmuje złożone procesy topienia próżniowego w atmosferze obojętnej, co sprawia, że jest on droższy niż stal i stopy aluminium. Do wysokiej ceny sprzedaży przyczyniają się również wyższe koszty surowców, zużycie energii, wytwarzanie odpadów i niska możliwość ponownego wykorzystania proszku.

Jakie branże wykorzystują proszek ze stopu tytanu?

Ze względu na wysoką wytrzymałość, niską wagę i odporność na korozję, główne branże zastosowań to przemysł lotniczy, medyczny i dentystyczny, motoryzacyjny, morski, sprzęt sportowy i przetwórstwo chemiczne. Biokompatybilność pozwala na zastosowanie w implantach chirurgicznych i drutach ortodontycznych.

poznaj więcej procesów druku 3D