Metaliczny proszek tytanu

tytan w proszku Metalurgia tytanu umożliwia wytwarzanie zaawansowanych lekkich części konstrukcyjnych łączących wysoką wytrzymałość właściwą, odporność na korozję i biokompatybilność. Niniejszy przewodnik obejmuje metody produkcji proszku tytanowego, charakterystykę, strategie stopowe, zastosowania, specyfikacje, ceny i porównania z metalami alternatywnymi. Zawiera również kierunki badań i zalecenia ekspertów dotyczące przetwarzania proszku tytanu w celu uzyskania optymalnych właściwości.

Przegląd

Kluczowe atrybuty sprawiają, że tytanowy proszek metaliczny jest przydatny w różnych gałęziach przemysłu, od lotniczego po medyczny:

• Najwyższy stosunek wytrzymałości do masy spośród wszystkich elementów metalowych
• W pełni biokompatybilny i nietoksyczny
• Odporność na słoną wodę, korozję wodną i fizjologiczną
• Obojętność termiczna od temperatur kriogenicznych do 600°C
• Bardziej plastyczne niż konkurencyjne stopy o wysokiej wytrzymałości
• Kompatybilność druku 3D metodą fuzji w złożu proszkowym
• Umożliwia stosowanie lekkich kompozytów i wzmocnionych konstrukcji

Ciągły rozwój metalurgii proszków tytanu umożliwia obecnie drukowanie większych części do implantów ortopedycznych, komponentów lotniczych, systemów samochodowych i wielu ogólnych zastosowań inżynieryjnych wykorzystujących nieodłączne zalety tytanu.

Metaliczny proszek tytanu Skład

Komercyjnie czysty tytan zawiera >99% tytanu z niską zawartością tlenu i zanieczyszczeń żelazem:

Element	Waga %	Rola
Tytan (Ti)	99.5%+	Odporność na korozję, wytrzymałość
Tlen (O)	<0,20%	Zanieczyszczenie - zmniejsza plastyczność
Żelazo (Fe)	<0,30%	Zanieczyszczenie - zmniejsza odporność na korozję
Azot (N)	<0,03%	Zanieczyszczenie - powoduje kruchość
Węgiel (C)	<0,10%	Zanieczyszczenie - zmniejsza wiązanie

Wysoka reaktywność tytanu oznacza, że nigdy nie występuje on naturalnie w czystej postaci. Jednak po wyekstrahowaniu i oczyszczeniu do postaci proszku, wykazuje wyjątkowe właściwości odpowiednie do produkcji wysokowydajnych części.

Charakterystyka i właściwości

• Wysoki wytrzymałość na rozciąganie - 490 MPa
• Gęstość - 4,5 g/cm3
• Temperatura topnienia - 1668°C
• Rozszerzalność cieplna - 8,6 μm/(m.K)
• Rezystywność elektryczna - 420 nΩ.m
• Przewodność cieplna - 21,9 W/(m.K)
• Paramagnetyczny bez biotoksyczności
• Doskonała biokompatybilność

Właściwości te zależą w dużej mierze od kontroli zanieczyszczeń na etapach produkcji proszku, jak opisano poniżej.

Metody produkcji proszku tytanowego

Proces Armstronga

• Redukcja czterochlorku tytanu za pomocą sodu/magnezu w atmosferze obojętnej
• Proszek o niskiej zawartości pierwiastków międzywęzłowych nadaje się do produkcji addytywnej.

Proces wodorkowy (HDH)

• Najpopularniejsza metoda przekształcania gąbki tytanowej w sferyczny proszek
• Niższy koszt, ale wyższy pobór tlenu wymagający optymalizacji

Kroki	Szczegóły
Surowiec	Wlewka tytanowa lub gąbka
Hydriding	Proces reakcji Ti z wodorem w celu uzyskania kruchego TiH2
Frezowanie	Rozdrabnianie wodorku na drobny proszek
Odwadnianie	Ostrożne usuwanie wodoru z TiH2
Kondycjonowanie	Osuszanie, mieszanie, regulacja rozkładu wielkości cząstek
Testy końcowe	Testy chemiczne, rozkład wielkości cząstek, kontrola morfologii

Kluczowe cechy:

• Rozmiary cząstek regulowane w zakresie od 15 mikronów do 150 mikronów
• Prawie kuliste morfologie z niektórymi satelitami
• Kontrolowany niski poziom zanieczyszczeń tlenem i azotem
• Zminimalizowane utlenianie powierzchni za pomocą stabilizującej obróbki cieplnej
• Możliwość mieszania niestandardowych chemikaliów poprzez mieszanie proszków wodorkowych

W następnej sekcji podkreślono niektóre podejścia do konsolidacji proszku tytanowego w części i komponenty do użytku końcowego.

Aplikacje wykorzystujące Metaliczny proszek tytanu

Wytwarzanie przyrostowe

• Drukowanie 3D złożonych geometrii przy użyciu laserowej syntezy proszków
• Implanty lotnicze i medyczne, takie jak ortopedyczne stawy kolanowe/biodrowe
• Niewielka waga komponentów obrabianych maszynowo

Formowanie wtryskowe proszków

• Wysokowydajny kształt siatki małych komponentów, takich jak elementy złączne
• Efektywna kosztowo konsolidacja w tytanowym sprzęcie

Formowanie wtryskowe metali

• Małe, skomplikowane części tytanowe o cienkich ściankach
• Odporne na korozję zawory i złączki

Prasa do metalurgii proszków i spiekania

• Prasowanie izostatyczne na gorąco kapsułkowanego tytanu
• Porowate struktury, takie jak powierzchnie wrastania kości

Natryskiwanie termiczne

• Odporne na zużycie i korozję powłoki tytanowe
• Odzyskiwanie zużytych komponentów za pomocą powłok metalicznych

Powstający: Druk 3D strumieniem spoiwa przy użyciu klejów polimerowych wraz z konsolidacją ultradźwiękową i technikami addytywnego natryskiwania na zimno, które są obecnie opracowywane.

Następnie przedstawiamy ogólne szczegóły specyfikacji używane do zamawiania niestandardowego proszku tytanowego.

Specyfikacja proszku tytanowego

Dostępny na rynku proszek tytanowy do zastosowań przemysłowych jest zgodny z ustalonymi wskaźnikami jakości:

Parametr	Typowe wartości
Rozkład wielkości cząstek	10 μm do 150 μm
Kształt cząsteczki	Głównie kulisty
gęstość kranu	2,2 g/cc do 3,0 g/cc
Gęstość pozorna	1,5 g/cc do 2,0 g/cc
Czystość	Zawartość tytanu 99,7%
Zanieczyszczenie tlenem	<2000 ppm
Zanieczyszczenie azotem	<150 ppm
Zanieczyszczenie wodorem	<100 ppm
Płynność	Ulepszone dzięki suchym powłokom

Inżynieria cząstek - Mniejsze jest trudne, ale lepsze. Większe niż 100 mikronów grożą niedoskonałościami.

Czystość - Istotny dla właściwości i zależy od drogi produkcji.

Charakterystyka proszku - Dopasowany do techniki konsolidacji i pożądanej wydajności materiału.

Możliwe znaczne dostosowanie, ale wymaga zobowiązań do partii MOQ. Partnerstwa w zakresie dostaw ułatwiają rozwój aplikacji.

Spostrzeżenia dotyczące przetwarzania proszku tytanu

Obsługa drobnego proszku tytanowego stwarza ryzyko spalania wymagające kontroli bezpieczeństwa:

• Do przechowywania i obsługi należy używać pojemników rękawicowych z gazem obojętnym.
• Unikać przechowywania dużych ilości w pobliżu źródeł zapłonu
• Elektryczne uziemienie sprzętu w celu rozproszenia ładunków elektrostatycznych
• Zastosowanie dedykowanych systemów próżniowych i wentylacyjnych
• Ochrona termiczna reaktywnych półproduktów, takich jak wodorki
• Przestrzeganie ścisłych protokołów bezpieczeństwa ze względu na reaktywność materiału.

W następnej sekcji przeanalizowano ekonomię proszku tytanowego, który pozostaje droższy niż tradycyjne kute formy metalowe.

Analiza cen proszku tytanowego

Produkt	Zakres cen
Proszek Ti klasy badawczo-rozwojowej	$800+ za kg
Klasa przemysłowa	$100+ za kg
Klasa lotnicza	$200+ za kg
Klasa medyczna	$500+ za kg

Ekonomia produkcji proszków zdominowała koszty gotowych części w stosunku do wartości dodanej materiału. Potencjał lekkości uzasadnia jednak zastosowanie w lotnictwie, kosmonautyce i mobilności wyścigowej.

Rygorystyczne wymagania chemiczne dotyczące certyfikacji biokompatybilności podnoszą ceny produktów medycznych. Wysoka zawartość azotu sprawia, że proszek nie nadaje się do urządzeń implantacyjnych mających kontakt z kością.

Partnerstwa w zakresie dostaw i kwalifikowane umowy LTA pomagają zapewnić najlepsze ceny, stabilizując zmienne wahania surowców w kontrolowanych kosztach gąbki tytanowej.

Porównanie z alternatywnymi rozwiązaniami

Tytan konkuruje ze stalą, stopami aluminium, magnezem i zaawansowanymi kompozytami:

Materiał	Wytrzymałość na rozciąganie	Gęstość	Odporność na korozję	Biokompatybilność	Koszt
Tytan Ti64	Wysoki	Światło	Doskonały	Doskonały	$$$
Stal nierdzewna 316L	Średni	Ciężki	Dobry	Uczciwy	$
Al 6061	Średni	Światło	Słaby	Dobry	$
Stopy CoCr	Wysoki	Ciężki	Doskonały	Ryzyko toksyczności	$$
Mg AZ91	Niski	Najlżejszy	Uczciwy	Dobry	$
Peek Polymer	Średni	Niski	Doskonały	Bio-inert	$$$

Zalety tytanu

• Najwyższy stosunek wytrzymałości do wagi
• Pełna odporność na korozję
• Udowodniona biokompatybilność
• Dostępna infrastruktura dostaw

Ograniczenia tytanu

• Wysoka czułość na geometrię projektu
• Trudne wypalanie i usuwanie wiązań
• Obsługa proszków reaktywnych wymaga kontroli
• Stosunkowo drogie ceny surowców

Zrozumienie tych technicznych i komercyjnych kompromisów pomaga zidentyfikować idealne zastosowania, w których metalurgia proszków tytanu przynosi największe korzyści.

Perspektywy badań i rozwoju

Pojawiające się wysiłki mające na celu ulepszenie proszku tytanowego obejmują:

Alloy Design

• Spersonalizowane kompozycje dla implantów dermatologicznych
• Stopy o wysokiej entropii z egzotycznymi mieszankami pierwiastków

Modelowanie

• Przewidywanie ewolucji mikrostrukturalnej podczas obróbki cieplnej
• Charakteryzowanie limitów ponownego użycia proszku

Proces AM

• Drukowanie strumieniem spoiwa, a następnie spiekanie mikrofalowe
• Produkcja hybrydowa łącząca zagęszczanie natryskowe na zimno

Produkcja proszku

• Sferoidyzacja elektrostatyczna bez hydridingu
• Tanie mieszanki proszku tytanowego dzięki ponownemu użyciu

Zastosowania

• Kwalifikacja prototypów turbin lotniczych
• Elektroniczne urządzenia do zarządzania temperaturą
• Bezstopniowa skrzynia biegów

Podsumowanie

Tytan jest pierwiastkiem metalicznym o najwyższym stosunku wytrzymałości do masy, ale zawsze był bardzo trudny do wydobycia i wytworzenia przy użyciu tradycyjnych technik odlewania i obróbki skrawaniem. Ostatnie postępy w metalurgii proszków zmieniają potencjał tytanu w zakresie dostarczania lekkich, wysokowytrzymałych drukowanych części łączących odporność na korozję i biokompatybilność. Dostosowanie zgodności chemicznej w zastosowaniach medycznych, lotniczych i motoryzacyjnych odblokowuje obecnie innowacyjne geometrie, które wcześniej były niemożliwe z technicznego lub ekonomicznego punktu widzenia. Jednak radzenie sobie z ryzykiem reaktywności piroforycznej drobnego proszku tytanowego pozostaje barierą wymagającą szczególnej czujności podczas badania możliwości jego zastosowania. Ścisła współpraca ze specjalistycznymi partnerami materiałowymi pozwala na wykorzystanie pełnego potencjału tytanu przy jednoczesnym ograniczeniu ryzyka operacyjnego.

poznaj więcej procesów druku 3D