Tytan Ti-64 do druku 3D w metalu

Tytan ti-64 do druku 3D z metaluTi-64, w skrócie Ti-64, to stop tytanu klasy lotniczej, szeroko stosowany w krytycznych zastosowaniach produkcji dodatków w przemyśle lotniczym, medycznym, motoryzacyjnym i inżynierii ogólnej. Niniejszy przewodnik zawiera przegląd techniczny metalurgii proszków Ti-64, w tym skład, dane dotyczące właściwości mechanicznych, szczegóły przetwarzania AM, obróbkę końcową, zastosowania, analizę kosztów, specyfikacje produktów i porównania z alternatywnymi gatunkami tytanu.

Przegląd tytanowych ti-64 do druku 3D z metalu

Stop tytanu Ti-6Al-4V (Grade 5) zapewnia optymalną równowagę między wytrzymałością, odpornością na pękanie i odpornością na korozję w połączeniu ze sprawdzoną biokompatybilnością - co czyni go najbardziej powszechnym materiałem do drukowania 3D komponentów metalowych o znaczeniu krytycznym w różnych branżach.

W miarę jak technologia AM przechodzi od prototypowania do produkcji seryjnej gotowych do lotu komponentów lotniczych i implantów dla pacjentów, Ti-64 stał się proszkiem wzorcowym, z którym porównywane są nowe materiały.

Oferuje:

• Doskonały stosunek wytrzymałości do wagi
• Wysoka twardość i odporność na pękanie do 550 MPa
• Plastyczność dla złożonych geometrii
• Biokompatybilność i nietoksyczność
• Sprawdzony rodowód obejmujący dziesięciolecia
• Dostępny łańcuch dostaw i efektywność kosztowa

Czytaj dalej, aby uzyskać szczegółowe informacje techniczne na temat metod metalurgii proszków do produkcji drukowanych w 3D części z tytanu Ti-64.

Skład i konstrukcja stopu

Stop tytanu Ti-64 składa się głównie z tytanu z domieszkami aluminium i wanadu:

Element	Waga %	Rola
Tytan (Ti)	Balance, ~90%	Odporność na korozję, biokompatybilność
Aluminium (Al)	5.5-6.75%	Wzmacniacz roztworu stałego
Wanad (V)	3.5-4.5%	Stabilizator fazy
Żelazo (Fe)	<0,3%	Zanieczyszczenie
Tlen (O)	<0,2%	Zanieczyszczenie

Pierwiastki śladowe, takie jak węgiel, azot i wodór, są zminimalizowane, ponieważ pogarszają właściwości mechaniczne. Stężenia żelaza i tlenu również utrzymywane są na niskim poziomie.

Aluminium stabilizuje fazę alfa, podczas gdy wanad tworzy wzmacniające osady beta po odpowiedniej obróbce cieplnej. To dwufazowe mieszanie zapewnia doskonałą wydajność.

Kluczowe właściwości Ti-64

• Wytrzymałość na rozciąganie: 880 MPa
• Wytrzymałość na rozciąganie: 950 MPa
• Wydłużenie: 14%
• Twardość: 350 Brinell
• Limit zmęczenia: 500 MPa
• Wytrzymałość na złamania: 75 MPa√m
• Wytrzymałość na ścinanie: 690 MPa
• Moduł Younga: 115 GPa
• Gęstość 4,43 g/cm3
• Temperatura topnienia: 1604°C

Właściwości te zależą w dużej mierze od właściwej obróbki cieplnej, o której mowa w dalszej części. Wartości różnią się również nieznacznie między procesami AM z podawaniem drutu i w złożu proszkowym, co wymaga dostosowania parametrów.

Tytan ti-64 do druku 3D z metalu Produkcja

Zastosowania medyczne i lotnicze wymagają ścisłej kontroli, aby uzyskać konstrukcje wolne od wad, dlatego produkcja proszków odbywa się zgodnie ze ścisłymi specyfikacjami:

Kroki	Szczegóły
Odlewanie wlewków	Potrójny wlewek wytapiany łukowo ze ścisłą kontrolą składu chemicznego
Przetapianie	Opcjonalne oczyszczanie VAR lub ESR do zastosowań krytycznych
Atomizacja gazu	Podmuch argonu obojętnego pod wysokim ciśnieniem tworzy drobne kropelki.
Przesiewanie	Wiele etapów klasyfikacji zgodnie ze standardami rozkładu wielkości cząstek (PSD)
Kondycjonowanie	Osuszanie, mieszanie, dodatki przepływowe
Testy końcowe	PSD, natężenie przepływu Halla, testy chemiczne, obrazy SEM
Opakowanie	Odporne na wilgoć puszki lub butelki wypełnione argonem

Najważniejsze cechy:

• Sferyczna morfologia cząstek z kilkoma satelitami
• Płynny proszek bez zbrylania i zbrylania
• Kontrolowane pasmo PSD z rozkładem większościowym od 15 mikronów do 45 mikronów
• Chemikalia zgodne z klasami ASTM F2924 i F3001
• Spójne partie z powtarzalnymi danymi dla dużych wolumenów produkcji
• Identyfikowalność dokumentów do źródłowych odlewów wlewków

Tak rygorystyczna kontrola produkcji zapewnia niezawodne, wolne od wad wydruki po zatwierdzeniu regulacji parametrów maszyny.

Zastosowania tytanu ti-64 w druku 3D z metalu

Biokompatybilność stopu oraz wysoki stosunek wytrzymałości do masy sprawdzają się w wielu krytycznych zastosowaniach:

Lotnictwo i kosmonautyka

• Wsporniki strukturalne, przegrody i części podwozia
• Łopatki i wirniki turbin
• Elementy wnętrza samolotu

Medycyna i stomatologia

• Implanty ortopedyczne, takie jak stawy kolanowe, biodrowe i klatki kręgosłupa
• Łączniki dentystyczne i mosty
• Narzędzia chirurgiczne wymagające sterylizacji

Motoryzacja

• Lekkie tłoki, korbowód
• Komponenty do samochodów luksusowych i wyścigowych, w tym zawory

Przetwarzanie chemiczne

• Odporne na korozję części do obsługi płynów, takie jak rury, zawory
• Filtry i obudowy zgodne z wymogami przemysłu spożywczego/farmaceutycznego

Drukowane 3D Ti-64 są również coraz częściej stosowane w branżach o wysokiej wartości, takich jak robotyka, artykuły sportowe i zarządzanie temperaturą w elektronice, wykorzystując swobodę projektowania.

Następnie zagłębimy się w popularne techniki syntezy w złożu proszkowym stosowane do przetwarzania tego wszechstronnego proszku stopowego na gotowe komponenty o znaczeniu krytycznym.

Drukowanie 3D w metalu przy użyciu proszku tytanowego Ti-64

Zarówno technologia laserowa, jak i wiązki elektronów spieniają Ti-64 do pełnej gęstości na płycie konstrukcyjnej warstwa po warstwie:

Laserowa fuzja proszkowa (L-PBF)

• Selektywne topienie laserowe (SLM) i bezpośrednie spiekanie laserowe metali (DMLS)
• Zogniskowane lasery światłowodowe wysokiej mocy Yb lub Nd:YAG
• Atmosfera obojętnego argonu z poziomem tlenu poniżej 500 ppm
• Optyczne monitorowanie basenów roztopowych w czasie rzeczywistym

Fuzja elektronów w złożu proszkowym (E-PBF)

• Potężna wiązka elektronów o napięciu od 60 kV do 150 kV w próżni
• Ultraszybkie skanowanie wiązką z prędkością powyżej 25 000 mm/s
• Wysoka wydajność dla mniejszych komponentów
• Głębsze wtopienie ułatwia spawanie tytanu

W przypadku większych części, metody ukierunkowanego osadzania energii (DED) umożliwiają dodawanie materiału do struktur bazowych. Wiele metod AM umożliwia optymalizację właściwości mechanicznych i wykończenia powierzchni.

Korzyści

• Złożone geometrie nieobsługiwane podczas odlewania lub obróbki skrawaniem
• Skrócony czas realizacji i niższe koszty w porównaniu z etapami subtraktywnymi
• Minimalne marnotrawstwo materiałów i współczynnik zakupu do lotu przekraczający 90%
• Spójne wyniki w długich konfiguracjach po wybraniu odpowiedniego ustawienia
• Swoboda projektowania umożliwia wzrost wydajności

Jednak, aby z nich skorzystać, niezbędna jest skrupulatna obróbka wstępna i końcowa.

Etapy przetwarzania wstępnego i końcowego

Osiągnięcie wolnych od wad kompilacji wymaga zintegrowanych protokołów:

Przetwarzanie wstępne

• Macierze testowe do optymalizacji parametrów na dedykowanych maszynach
• Monitorowanie warunków proszku i proporcji ponownego mieszania
• Wstępna obróbka cieplna w celu zapewnienia jednolitej charakterystyki cząstek
• Staranne zagnieżdżanie i orientowanie części na płycie montażowej

Przetwarzanie końcowe

• Usuwanie części z płyty za pomocą cięcia drutem EDM / piłą taśmową
• Szeroko zakrojona obróbka i wykańczanie
• Prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP) w celu wyeliminowania wewnętrznych pustek
• Roztwarzanie, starzenie i stabilizacja obróbki cieplnej
• Końcowe testy walidacyjne zapewnienia jakości

Taka kompleksowa kontrola przetwarzania umożliwia wykorzystanie pełnego potencjału produkcji addytywnej przy użyciu Ti-64, poza poleganiem wyłącznie na drukarkach.

Specyfikacje

Partie stopu Ti-64 dla użytkowników z branży medycznej lub lotniczej wymagają certyfikacji:

Parametr	Typowe wartości
Chemia według AMS 4928	Tabela powyżej
Rozkład wielkości cząstek	D10 20μm, D50 35μm, D90 50μm
Morfologia	Głównie sferyczne + satelity
Gęstość pozorna	2,7 - 3,2 g/cc
Gęstość kranu	3,2 - 4,0 g/cc
Natężenie przepływu	30 - 35 s dla 50 g, lejek Hall
Analiza tlenu na powierzchni	< 2000 ppm
Zanieczyszczenia	Fe < 3000 ppm, H < 100 ppm

Niestandardowe przesiewanie do ciaśniejszych pasm jest możliwe, ale zwiększa koszty. Dopasowanie parametrów maszyny AM klienta i zatwierdzone kontrole jakości zapewniają powtarzalność wydajności w zadaniach produkcyjnych.

Tytan ti-64 do druku 3D z metalu Analiza dostępności i kosztów

Gatunek lotniczy Ti-6Al-4V ma wyższą cenę niż standardowe gatunki Ti dzięki specjalistycznemu topieniu, rygorystycznym testom kontroli jakości i inżynierii kształtu proszku:

Produkt	Ilość	Zakres cen
Proszek badawczo-rozwojowy Ti-64	0,5 kg	$500+
Proszek do prototypowania Ti-64	10 kg	$150+ za kg
Ti-64 Proszek produkcyjny	1000+ kg	$50+ za kg

Koszty pozostają na wyższym poziomie, ale nadal się poprawiają, ponieważ AM skaluje wykorzystanie stopu Ti-64, umożliwiając optymalizację produkcji na skalę ekonomiczną. Małe próbki badawczo-rozwojowe można teraz kupić bez MOQ, ale zadania produkcyjne wymagają prognoz zamówień.

Porównanie Ti-64 z alternatywnymi stopami tytanu

Podczas gdy Ti-64 cieszy się najszerszą popularnością, inne klasy konkurują teraz jako alternatywne opcje AM:

Stop	Siła	Plastyczność	Odporność na utlenianie	Koszt
Ti-64 (Ti-6Al-4V)	Bardzo wysoka	Średni	Średni	$$$
Ti-5553 (Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr)	Bardzo wysoka	Średni	Lepiej	$$$
Ti-1023 (Ti-10V-2Fe-3Al)	Wysoki	Wyższy	Dobry	$$
Ti-48Al-2Cr-2Nb (Ti4822)	Średni	Kruchy	Najlepszy	$$$$

Kluczowe zalety konwencjonalnego Ti-64 to:

• Sprawdzony materiałowy rodowód przez ponad 30 lat
• Gładsze wykończenia powierzchni w konstrukcjach AM
• Ustalone protokoły obróbki cieplnej
• Dane dopuszczalne dla kwalifikacji projektu
• Łatwo dostępne z konkurencyjną podażą

Ograniczenia Ti-64:

• Nie jest to tytan o najwyższej wytrzymałości
• Podatność na utlenianie termiczne bez kontroli
• Wymaga intensywnego prasowania izostatycznego na gorąco (HIP)

Tak więc każdy z opisanych kompromisów pomaga wybrać zoptymalizowane gatunki zgodnie z wymaganiami aplikacji.

Podsumowanie

Produkcja addytywna zapewnia inżynierom bezprecedensową swobodę w projektowaniu wysokowydajnych komponentów tytanowych Ti-64, nieporównywalną ze starszymi technikami. Łącząc pojawiające się możliwości cyfrowe z obszernymi danymi materiałowymi zweryfikowanymi przez ponad 30 lat wdrożeń w przemyśle lotniczym i medycznym, inżynierowie mogą wdrażać innowacyjne nowe geometrie drukowane 3D, wykorzystując zalety Ti-64 przy zmniejszonym ryzyku kwalifikacji. Jednak skrupulatne kontrole nadal pozostają niezbędne w zakresie produkcji proszku, przechowywania, przetwarzania metalu AM oraz obróbki końcowej, aby w pełni wykorzystać potencjał tego wszechstronnego stopu o wysokiej wytrzymałości.

poznaj więcej procesów druku 3D