Proszek tytanowy do wytwarzania przyrostowego

Tytan w proszku jest krytycznym materiałem do drukowania wysokowytrzymałych, lekkich komponentów tytanowych przy użyciu technik wytwarzania przyrostowego, takich jak selektywne topienie laserowe (SLM) i topienie wiązką elektronów (EBM). Niniejszy przewodnik zawiera kompleksowy przegląd proszków tytanowych do AM.

Wprowadzenie do proszku tytanowego dla AM

Proszek tytanowy umożliwia drukowanie 3D części tytanowych o wyjątkowych właściwościach:

• Wysoki stosunek wytrzymałości do wagi
• Doskonała odporność na korozję
• Dobre właściwości w wysokich temperaturach
• Biokompatybilność do zastosowań medycznych
• Reaktywny i wymaga kontrolowanego przetwarzania

Powszechne stopy tytanu dla AM:

• Ti-6Al-4V (Ti64)
• Ti-6Al-7Nb (Ti647)
• Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr (Ti5553)
• Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6-2-4-2)

Kluczowe właściwości proszku:

• Chemia i mikrostruktura
• Rozmiar i rozkład cząstek
• Kształt i morfologia cząstek
• Czystość
• Płynność i gęstość pozorna

Proszek Ti-6Al-4V

Ti-6Al-4V jest najpopularniejszym proszkiem stopu tytanu stosowanym w AM:

• Zapewnia doskonałe połączenie wytrzymałości, plastyczności i odporności na korozję.
• Wytrzymałość może osiągnąć 1300 MPa i więcej dla części AM
• Topi się w temperaturze około 1600°C i wymaga zarządzania temperaturą podczas drukowania.
• Wrażliwy na odbiór tlenu - wymaga kontrolowanej atmosfery

Zastosowania:

• Komponenty lotnicze i motoryzacyjne
• Implanty biomedyczne, takie jak ortopedyczne protezy stawu kolanowego i biodrowego
• Części dla przemysłu spożywczego i chemicznego
• Produkty konsumenckie

Dostawcy: AP&C, Tekna, Carpenter Additive, Arcam AB

Proszek Ti-6Al-7Nb

Proszek Ti-6Al-7Nb zapewnia doskonałą wytrzymałość na rozciąganie i odporność na pełzanie:

• Wysoka wytrzymałość do 1500 MPa dzięki utwardzaniu wydzieleniowemu
• Dobra spawalność
• Stosowany jako alternatywa dla toksycznych stopów wanadu
• Wymaga prasowania izostatycznego na gorąco (HIP) w celu zminimalizowania pustych przestrzeni.

Zastosowania:

• Komponenty lotnicze, takie jak płatowce i turbiny
• Części do sportów motorowych poddawane wysokim naprężeniom
• Implanty dentystyczne i protetyka medyczna
• Zastosowania morskie, takie jak statki i śruby napędowe

Dostawcy: AP&C, TLS Technik GmbH, Tekna

Proszek Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr

Proszek Ti-5-5-5-3 zapewnia doskonałą hartowność i głębokie utwardzanie:

• Poziomy wytrzymałości przekraczające 1400 MPa
• Zachowuje właściwości w temperaturze ponad 350°C
• Używany do trudnych w obróbce części tytanowych
• Zapewnia wysoką odporność na zmęczenie i pełzanie

Zastosowania:

• Podwozie samolotu i części konstrukcyjne
• Komponenty silnika i podwozia Formuły 1
• Tarcze silników turbinowych i części sprężarek
• Elementy złączne i osprzęt dla przemysłu lotniczego

Dostawcy: AP&C, Carpenter Additive, Arcam AB

Proszek Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo

Proszek Ti-6-2-4-2 zapewnia doskonałą odporność na erozję w gorącym gazie:

• Odporność na utlenianie i korozję do 600°C
• Doskonała wytrzymałość do 1300 MPa
• Używany do części narażonych na działanie gazów o wysokiej temperaturze
• Wymaga prasowania izostatycznego na gorąco w celu osiągnięcia pełnej gęstości

Zastosowania:

• Łopatki i łopatki silników lotniczych
• Dysze silników rakietowych
• Elementy pocisku poddane przepływowi gorących gazów
• Elementy reaktorów jądrowych

Dostawcy: AP&C, Tekna, Sandvik Osprey

Tytan klasy 1 i 2

Klasa 1 i 2 niestopowe proszki tytanowe zapewniają doskonałą odporność na korozję:

• Wysoka czystość z niską zawartością pierwiastków międzywęzłowych
• Doskonała biokompatybilność
• Niska wytrzymałość w porównaniu do stopów; około 380 MPa
• Używany do zastosowań chemicznych, morskich i konsumenckich

Zastosowania:

• Implanty biomedyczne, takie jak płytki czaszkowe
• Zbiorniki i przewody reaktorów chemicznych
• Komponenty morskie, takie jak wały śrub napędowych
• Sprzęt do przetwarzania żywności

Dostawcy: AP&C, TLS Technik, Tekna Plasma Systems

Proszki glinku tytanu

Stopy glinku tytanu, takie jak Ti4522, umożliwiają drukowanie lekkich komponentów:

• Niska gęstość - 3,7 g/cm3
• Wytrzymałość do 1000 MPa
• Doskonała odporność na korozję
• Możliwość pracy w wysokiej temperaturze do 750°C
• Trudne przetwarzanie ze względu na szybkie chłodzenie i krzepnięcie

Zastosowania:

• Części sprężarek lotniczych
• Koła do turbosprężarek samochodowych
• Wykładziny komory spalania
• Konstrukcje rakietowe i lotnicze

Dostawcy: Kennametal, AP&C, Sandvik

Metody produkcji proszku tytanowego

1. Atomizacja gazu

• Gaz obojętny używany do rozpylania stopionego metalu na drobne kropelki
• Sferyczne proszki idealne do AM, 10-100 mikronów
• Wysoka czystość, może być drogie

2. Atomizacja plazmowa

• Wykorzystuje gaz plazmowy do rozpylania stopionego metalu
• Kontrolowane kształty i rozmiary cząstek
• Niższy pobór tlenu niż w przypadku atomizacji gazu

3. Wodorek-wodorek (HDH)

• Rozdrobniony wodorek tytanu jest odwadniany
• Nieregularne kształty, duże rozmiary cząstek
• Niższy koszt, może zawierać więcej zanieczyszczeń

Specyfikacja techniczna

Typowy proszek tytanowy specyfikacje dla AM:

Kontrolowanie rozkładu wielkości cząstek, kształtu, składu chemicznego i gęstości ma kluczowe znaczenie.

Postępowanie z proszkiem tytanu i jego przechowywanie

Wymagana jest specjalna obsługa, aby zapobiec utlenianiu i gromadzeniu się wilgoci:

• Używaj pojemników i zbiorników transferowych ze stali nierdzewnej
• Proszek należy przenosić wyłącznie w komorach rękawicowych z gazem obojętnym.
• Atmosfera argonowa o wysokiej czystości
• Unikać bezpośredniego kontaktu z powietrzem i wodą
• Uziemienie wszystkich urządzeń do transportu materiałów
• Utrzymywanie temperatury przechowywania od -10°C do 30°C
• Zamrażanie złoża proszku, gdy drukarka jest bezczynna, aby zapobiec absorpcji tlenu.

Właściwe przechowywanie znacznie wydłuża żywotność proszku tytanowego.

Przesiewanie proszków

Przesiewanie służy do uzyskania spójnego rozkładu wielkości cząstek:

Korzyści

• Rozbija aglomeraty
• Usuwa cząsteczki satelitarne
• Zmniejsza prawdopodobieństwo wystąpienia usterek
• Poprawia przepływ i upakowanie proszku

Procedura

• Przesiać proszek przez drobną siatkę o wielkości około 20 mikronów.
• Stosowanie przesiewania rotacyjnego lub wibracyjnego
• Wykonywanie pod osłoną gazu obojętnego
• Dokumentuj pozostałą procentową masę proszku

Wysokiej jakości proszek wyjściowy w połączeniu z przesiewaniem minimalizuje wady części końcowych.

Dostawcy i ceny

• Proszki niestopowe klasy 1 i 2 kosztują ~$150-250/kg
• Ti-6Al-4V i Ti-6Al-7Nb kosztują ~$250-450/kg
• Stopy specjalne kosztują $500-650/kg

Ceny zależą od wielkości zamówienia, poziomu jakości, mikrostruktury i morfologii.

Instalacja i uruchomienie drukarki

Instalacja tytanowej drukarki AM wymaga:

• Dokładne czyszczenie i kontrola szczelności
• Sprawdzanie czystości systemów argonowych
• Ładowanie i testowanie systemu transportu proszku
• Kalibracja i poziomowanie płyty roboczej
• Integracja agregatu chłodniczego, zasilania gazem, stacji przesiewania
• Programowanie parametrów procesu
• Drukowanie części testowych w celu sprawdzenia jakości

Sprzedawcy zapewniają wsparcie instalacyjne, aby zapewnić idealną konfigurację maszyny.

Najlepsze praktyki dotyczące drukowania

Działanie drukarki:

• Utrzymanie wysokiego poziomu czystości argonu
• Dokładne monitorowanie basenu stopu i zachowania termicznego
• Walidacja wszystkich krytycznych wymiarów
• Regularna wymiana filtrów i materiałów eksploatacyjnych
• Monitorowanie poziomu ponownego użycia proszku

Bezpieczeństwo personelu:

• Podczas pracy z proszkiem należy używać środków ochrony indywidualnej, takich jak maski oddechowe
• Unikać kontaktu z drobnym proszkiem tytanowym
• Prawidłowa utylizacja zużytego proszku tytanowego

Część przetwarzania końcowego:

• Ostrożnie usuwaj wsporniki z delikatnych części
• Obróbka cieplna dostosowana do stopu i zastosowania
• Prasowanie izostatyczne na gorąco w celu poprawy gęstości
• Obróbka CNC i etapy wykańczania, jeśli wymagane

Przestrzeganie procedur zalecanych przez dostawcę ma kluczowe znaczenie dla uzyskania wolnych od wad drukowanych części ze stopów tytanu.

Konserwacja i inspekcja

Wymagane regularne czynności konserwacyjne:

Codziennie:

• Sprawdzić układ optyczny pod kątem uszkodzeń i osadów
• Monitorowanie poziomu argonu i czujników tlenu
• Sprawdzenie uszczelek i czujników systemu transportu proszku
• Wyczyść komorę kompilacji i sito Pozostałości proszku

Co tydzień:

• Kalibracja oprzyrządowania i czujników
• Smarowanie i kontrola ruchomych części
• Sprawdzić zaciski elektryczne i uziemienie

Miesięcznie:

• Przeprowadzanie testów szczelności systemu argonowego
• Kontrola urządzeń zabezpieczających i alarmów
• Sprawdź stan filtra i wymień go w razie potrzeby
• Monitorowanie ogólnego stanu systemu

Rocznie:

• Zaplanuj konserwację zapobiegawczą
• Wymiana materiałów eksploatacyjnych i optyki
• Kontrola i modernizacja sprzętu

Proaktywna konserwacja zwiększa niezawodność i żywotność sprzętu.

Wybór tytanowego systemu drukującego

Kluczowe kryteria wyboru tytanowego systemu druku 3D:

1. Wymagania produkcyjne

• Rodzaje produkowanych części
• Klasa materiału oparta na wymaganych właściwościach
• Wymagana wielkość produkcji
• Wymagania dotyczące dokładności i wykończenia powierzchni

2. Specyfikacja drukarki

• Obsługiwane i zoptymalizowane stopy
• Szybkość budowania, precyzja i powtarzalność
• Kontrola i ochrona przed gazami obojętnymi
• Funkcje automatyzacji
• Rozmiar i pojemność

3. System obsługi proszków

• Zintegrowany lub autonomiczny
• Możliwości przesiewania, przechowywania i ponownego wykorzystania
• Monitorowanie zawartości tlenu i wilgoci
• Łatwość obsługi i ograniczenia

4. Zgodność z normami

• Normy branżowe, takie jak ASTM F2924
• Certyfikaty jakości producenta
• Zgodność z normami CE, FCC

5. Poświadczenia dostawcy

• Specjalistyczna wiedza w zakresie tytanu AM
• Lokalne wsparcie inżynierii aplikacji
• Oferowane szkolenia dla operatorów
• Umowy serwisowe i konserwacyjne

Ocena opcji w oparciu o te czynniki zapewnia wybór idealnego systemu produkcji dodatków tytanowych spełniającego potrzeby produkcyjne.

Plusy i minusy Titanium AM

Zalety

• Doskonały stosunek wytrzymałości do wagi
• Odporność na korozję, biokompatybilność
• Mniej części, lepsza wydajność
• Szybka realizacja złożonych geometrii
• Indywidualne projekty i produkcja seryjna
• Zmniejsza ilość odpadów w porównaniu do obróbki skrawaniem
• Konsoliduje zespoły w jedną część

Wady

• Wysokie koszty materiałów i maszyn
• Dodatkowe etapy przetwarzania końcowego
• Ograniczenia dotyczące maksymalnego rozmiaru części
• Kontrola wad wewnętrznych może stanowić wyzwanie
• Właściwości materiału mogą różnić się od kutego
• Wymagana specjalistyczna wiedza

Rozwiązywanie problemów z Titanium AM

Najczęściej zadawane pytania

P: Jak bezpiecznie obchodzić się z reaktywnym proszkiem tytanu?

O: Korzystanie z komór rękawicowych i zbiorników z gazem obojętnym, unikanie ekspozycji na powietrze i utrzymywanie odpowiedniego poziomu argonu podczas drukowania.

P: Jaki rozmiar cząstek jest stosowany w proszku tytanowym AM?

O: Zazwyczaj 10-45 mikronów, przy ściślejszej kontroli w okolicach 20-45 mikronów.

P: Jakie metody przetwarzania końcowego są stosowane?

Odp .: Usuwanie podpór, obróbka cieplna, prasowanie izostatyczne na gorąco i obróbka wykończeniowa / polerowanie.

P: Jakie zanieczyszczenia wpływają na ponowne użycie proszku tytanowego?

O: Tlen, azot, wodór i węgiel skracają czas ponownego użycia. Wymagane są rygorystyczne procedury obsługi.

P: Ile razy można ponownie użyć proszku tytanowego?

O: Zazwyczaj 20-100 wydruków w zależności od stopu, obsługi i przechowywania. Tytan klasy 23 oferuje lepsze ponowne wykorzystanie niż klasa 5.

P: Jaka temperatura jest używana do obróbki cieplnej tytanowych części AM?

O: Obróbka roztworu odbywa się 50-100°C poniżej temperatury beta transus, po czym następuje starzenie i chłodzenie powietrzem / piecem.

P: Jakie normy mają zastosowanie do proszku tytanowego AM?

A: ASTM B801, ASTM F2924, ASTM F3001, ISO 23304 (w opracowaniu).

P: Dlaczego stosuje się prasowanie izostatyczne na gorąco?

O: HIP pomaga zamknąć wewnętrzne puste przestrzenie i osiągnąć wyższą gęstość i lepsze właściwości mechaniczne.

Wnioski

Proszek tytanowy umożliwia drukowanie bardzo wytrzymałych, lekkich komponentów tytanowych do zaawansowanych zastosowań lotniczych, medycznych, motoryzacyjnych i przemysłowych przy użyciu technik AM, takich jak SLM i EBM. Dzięki właściwościom przewyższającym konwencjonalny tytan, złożone geometrie mogą być wytwarzane szybko i wydajnie. Jednak reaktywne obchodzenie się z proszkiem, kontrolowane parametry procesu, przeszkoleni operatorzy i procedury kwalifikacji części są niezbędne do osiągnięcia wyników wolnych od wad. Wraz z dalszym rozwojem wiedzy, AM z wykorzystaniem proszku tytanowego zapewnia bezprecedensowe możliwości produkcji niestandardowych, wysokowydajnych części tytanowych przy skróconym czasie realizacji.

poznaj więcej procesów druku 3D