Молибден-титановые порошки

Обзор молибден-титановых порошков

молибден-титановые порошки относятся к мелким металлическим частицам каждого элемента, получаемым в процессе распыления. Они обладают высокой прочностью, твердостью и жаростойкостью.

Порошки используются по отдельности или в виде смесей для производства высокоэффективных сплавов. Контролируемое распределение частиц по размерам позволяет собирать из слоев сложные компоненты почти сетчатой формы в процессе 3D-печати металлов.

Некоторые ключевые характеристики порошков молибдена и титана:

Молибденовый порошок

• Отличное сопротивление ползучести и стабильность при высоких температурах
• Низкий коэффициент теплового расширения
• Высокая твердость и износостойкость
• Используется в качестве легирующей добавки для усиления сталей и суперсплавов

Титановый порошок

• Чрезвычайно прочный и в то же время легкий конструкционный металл
• Отличная коррозионная стойкость
• Биосовместимость для медицинских имплантатов
• Реактивный и требует контролируемой обработки

Смешанные/легированные порошки

• Сочетание полезных свойств каждого элемента
• Обеспечивает индивидуальные характеристики материала
• Требуются оптимизированные параметры 3D-печати

Манипулируя составами с помощью AM, можно создавать инновационные сплавы с превосходными свойствами, подходящими для работы в экстремальных условиях.

Типы молибденовых и титановых порошков

Молибденовые и титановые порошки коммерчески доступны в различных видах для аддитивного производства металлов:

Порошковый вариант	Характеристики	Типичное использование
Молибден	Чистые и легированные сорта	AM молибденовых сплавов, катализаторов
Титан Ti-6Al-4V	Аэрокосмический сплав	Несущие аэроконструкции
Титан Ti-6Al-7Nb	Биосовместимый альфа-бета сплав	Медицинские имплантаты, протезы
Элементарные смеси Mo-Ti	Нестандартные составы сплавов	Передовые инженерные приложения
Основные сплавы Mo-Ti	Предварительно легированные смеси	Упрощенная обработка AM

В своей элементарной форме молибден обеспечивает высокотемпературную твердость, а титан - прочность и коррозионную стойкость. Комбинируя оба компонента с помощью технологии AM, можно создавать инновационные сплавы с улучшенными общими характеристиками.

Состав/Легирование

Молибденовые и титановые порошки имеют следующие номинальные составы:

Молибденовый порошок

Элемент	Композиционный ряд
Молибден (Mo)	99% и выше
Кислород (O)	0,01% макс.
Углерод (C)	0,01% макс.
Железо (Fe)	0,01% макс.
Другие металлы	0,01% макс.

Высокая чистота необходима для воспроизводимости результатов в процессе АМ и последующей обработки. Загрязнения могут негативно повлиять на свойства материала.

Титан Ti-6Al-4V

Элемент	Вес %
Титан (Ti)	Баланс
Алюминий (Al)	5.5-6.75
Ванадий (V)	3.5-4.5
Железо (Fe)	< 0.3
Кислород (O)	<0.2
Другие металлы	<0.1

Небольшое количество легирующих добавок алюминия и ванадия значительно повышает прочность титана для создания несущих легких конструкций.

Для смешанных порошков Mo-Ti относительное соотношение может варьироваться от 100% Mo до 100% Ti для создания индивидуальных сплавов. Неограниченная свобода выбора состава при использовании как элементарных, так и предварительно легированных смешанных порошков позволяет разрабатывать до сих пор неизученные сплавы с помощью АМ.

Свойства молибден-титановые порошки

Молибденовый порошок

Физические свойства
Плотность	10,22 г/см3
Температура плавления	2610°C
Теплопроводность	138 Вт/мК
Электрическое сопротивление	5,5 мкΩ-см
Коэффициент теплового расширения	5,3 мкм/м-°C

Механические свойства
Твердость	~300 HV
Предельная прочность на разрыв	600-800 МПа
Предел текучести (смещение 0,2%)	500+ МПа
Удлинение	30-50%
Модуль упругости	325 ГПа

Молибденовый порошок позволяет изготавливать чрезвычайно твердые и жаропрочные сплавы с помощью методов AM. Детали сохраняют высокую прочность в условиях окислительного, коррозионного и фрикционного износа при повышенных температурах, превышающих 1000°C.

Титан Ti-6Al-4V порошок

Физические свойства	Значения
Плотность	4,43 г/см3
Температура плавления	1604-1660°C
Теплопроводность	7,2 Вт/мК
Электрическое сопротивление	170 мкΩ-см
Коэфф. теплового расширения	8,6 мкм/м-°C

Механические свойства	В собранном виде	Отожженный
Прочность на разрыв	1050 МПа	950 МПа
Предел текучести (смещение 0,2%)	900 МПа	850 МПа
Удлинение	~15%	~20%
Твердость	~350 HV	~300 HV

Тонкий баланс высокой прочности и достойной пластичности делает этот сплав чрезвычайно популярным в аэрокосмической отрасли для изготовления критических печатных деталей в ракетных двигателях, рамах самолетов и турбинах.

Смешивая порошки молибдена и титана в различных соотношениях, можно добиться сочетания их свойств в индивидуальных сплавах.

Применение молибдено-титановых порошков

Область применения	Задействованная недвижимость	Примеры
Аэрокосмическая и оборонная промышленность	Высокое соотношение прочности и веса, отличная термостойкость.	— Детали авиационных двигателей (диски, лопатки) <br> — Ракетные корпуса – Тепловые экраны
Биомедицина	Биосовместимость, хорошая коррозионная стойкость, высокая прочность.	— Ортопедические имплантаты (протезирование тазобедренного сустава, коленных суставов) - Зубные имплантаты - Хирургические инструменты
Химическая обработка	Коррозионная стойкость, хорошая обрабатываемость	– Химические реакторы и сосуды - Теплообменники – Валы мешалки
Электроника и электрика	Высокая электропроводность, хорошая термическая стабильность.	– Электрические контакты и разъемы – Мощные резисторы – Электроды для электроэрозионной обработки (ЭЭО)
Аддитивное производство	Индивидуальные свойства, возможна сложная геометрия	– Легкие, высокопроизводительные компоненты для аэрокосмической и автомобильной промышленности. – Биосовместимые имплантаты с индивидуальной структурой – Комплексные теплообменники для эффективного управления температурным режимом

Технические характеристики молибден-титановых порошков

Молибденовые и титановые порошки должны отвечать точным химическим требованиям и строгим спецификациям качества для использования в аддитивном производстве в соответствии с принятыми в отрасли стандартами:

Стандарты химической чистоты

Степень порошкообразности	Стандарт
Молибден	ASTM B393
Титан Ti-6Al-4V	ASTM F2924
Титан Ti-6Al-7Nb	ASTM F3001

Типичные характеристики порошка

Атрибут	Требования	Методы испытаний
Форма частиц	Преимущественно сферические	СЭМ-изображение согласно ASTM B822
Кажущаяся плотность	2 - 5 г/куб. см	MPIF 04 или ASTM B212
Расход	>30 секунд для испытания потока Холла	ASTM B213
Распределение частиц по размерам	D10, D50, D90 оптимизированы для процесса AM	ASTM B822
Потери при воспламенении (LOI)	Низкий уровень кислорода/азота	Анализ плавления инертных газов
Микроструктура	Без дефектов, без спутников	СЭМ при большом увеличении

Требования направлены на обеспечение равномерного плавления, бездефектной сборки и воспроизводимых свойств конечных деталей.

Глобальные поставщики

Многие известные производители поставляют молибденовые и титановые порошки для AM-технологий:

Молибденовый порошок

Компания	Фирменные наименования	Метод производства
ХК Старк	Mo	Электролитический
Молимет	PureMo	Восстановление водорода
Plansee	MolyPowder	Снижение содержания кальция
Вольфрам Среднего Запада	TeroMoly	Снижение содержания кальция

Титановый порошок

Компания	Предлагаемые классы	Методы производства
AP&C	Ti-6Al-4V, другие сплавы титана	Плазменное распыление
Столярная присадка	Ti-6Al-4V	Плазменное распыление
Sandvik	Ti6Al4V ELI, Ti6Al4V ELI-0406	Плазменное распыление
Tekna	Ti-6Al-4V, Ti 6Al-7Nb	Плазменное распыление
TLS Technik	Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI, Ti Grade 23	Газовое, плазменное распыление

Как известные производители металлических порошков, так и специализированные производители AM-порошков поставляют эти материалы в соответствии с жесткими отраслевыми спецификациями.

Ценообразование молибден-титановые порошки

Для молибдена и титановых порошков, как широко используемых материалов в металлическом AM, существуют опубликованные ценовые показатели:

Молибденовый порошок

Размер частиц	Диапазон цен
10-45 мкм	$40 - $60 за кг
15-53 мкм	$50 - $70 за кг
Нестандартные размеры	> $100 за кг

Титан Ti-6Al-4V порошок

Размер частиц	Диапазон цен
15-45 мкм	$150 - $450 за кг
45-100 мкм	$100 - $350 за кг
Нестандартные размеры	> $500 за кг

Цены зависят от класса качества, размера партии, диапазона распределения, плазменного или газового распыления и объема закупки. Цены на большие партии и контракты обычно обсуждаются напрямую с поставщиками.

Плюсы и минусы использования молибденовых и титановых сплавов в AM

Характеристика	Молибденовые сплавы (АМ)	Титановые сплавы (АМ)
Прочность	Очень высокая прочность и сопротивление ползучести при повышенных температурах. Идеально подходит для высокопроизводительных приложений в аэрокосмической и энергетической отраслях.	Отличное соотношение прочности и веса. Легче стали, но обладает сопоставимой прочностью, что делает их ценными в аэрокосмической, автомобильной и биомедицинской областях.
Вес	Относительно плотный по сравнению с титаном, но все же легче, чем многие другие высокопроизводительные металлы.	Значительно легче стали, что обеспечивает существенное снижение веса в тех случаях, когда вес имеет решающее значение.
Коррозионная стойкость	В целом хорошая коррозионная стойкость, особенно в восстановительных средах. Однако может быть подвержен окислению при высоких температурах.	Выдающаяся коррозионная стойкость в различных средах, включая морскую воду и жидкости человеческого организма. Предпочтительный материал для морских применений и биомедицинских имплантатов.
Биосовместимость	Ограниченная биосовместимость из-за потенциального выброса ионов молибдена в организм. Не идеален для большинства медицинских имплантатов.	Отличная биосовместимость, что делает их пригодными для имплантатов и протезирования.
Высокотемпературные характеристики	Сохраняет прочность и сопротивление ползучести при высоких температурах, что позволяет использовать его в горячих секциях реактивных двигателей и других экстремальных условиях.	Может сохранять хорошие механические свойства при повышенных температурах, но не в такой степени, как молибденовые сплавы.
Теплопроводность	Очень хорошая теплопроводность, позволяющая эффективно отводить тепло при высоких температурах.	Умеренная теплопроводность, ниже, чем у молибдена, но достаточна для многих применений.
Аддитивное производство (AM) Возможность печати	Порошок молибдена может быть сложно перерабатывать из-за его высокой температуры плавления и реакционной способности. Требуются специализированные методы AM, такие как электронно-лучевая плавка (EBM).	Более легко печатается с использованием различных методов AM, таких как селективное лазерное плавление (SLM) и электронно-лучевое плавление (EBM). Характеристики порошка и возможность печати могут варьироваться в зависимости от конкретного титанового сплава.
Стоимость	Молибден является относительно распространенным элементом, но процесс АМ может быть дорогим из-за специального оборудования и требований к обращению.	Титан сам по себе является более дорогим элементом, чем молибден. Однако достижения в технологии AM снижают стоимость титановых деталей.
Отделка поверхности	Детали из молибдена, произведенные AM, могут иметь шероховатую поверхность, требующую дополнительных этапов постобработки.	Детали из титана AM могут обеспечить хорошее качество поверхности в зависимости от конкретного процесса AM и используемых параметров.
Приложения	– Высокотемпературные компоненты реактивных и ракетных двигателей – Теплообменники – Молибденовые тигли для процессов высокотемпературной плавки	– Компоненты аэрокосмической отрасли (детали самолетов, шасси) – Биомедицинские имплантаты (протез коленного сустава, тазобедренных суставов) – Автомобильные детали (шатуны, компоненты подвески) – Спортивные товары (клюшки для гольфа, велосипедные рамы)

Как изготавливают порошки молибдена и титана?

Передовые процессы газового распыления позволяют получать тонкие металлические порошки с точным контролем таких критических характеристик, как форма, размер и химическая чистота частиц.

Газовая атомизация

Слитки высокой чистоты индукционно расплавляются в инертной атмосфере, а поток жидкого металла заливается в специализированные емкости для распыления. Мощные струи аргона или азота распыляют металл на мелкие капли, которые быстро застывают в порошок.

Оптимизация параметров газового потока и скорости охлаждения позволяет получить сферические частицы с желаемым распределением частиц по размерам. Затем порошок просеивается на различные классификации размеров, необходимые для различных процессов AM.

Дополнительная обработка

Для улучшения свойств порошка могут быть предприняты дополнительные меры: дегазация для снижения уровня кислорода, отжиг для уменьшения внутренних напряжений при быстром затвердевании, смешивание с другими фракциями порошка для получения определенных диапазонов размеров.

Перед отправкой заказчикам порошки упаковываются в инертной атмосфере для предотвращения окисления. Протоколы обработки и хранения предотвращают поглощение влаги или загрязнение при последующей обработке металлов AM.

Струйная обработка связующего по сравнению с порошковым плавлением молибдена и титана

Молибденовые и титановые сплавы можно печатать как струйным методом, так и методом порошкового наплавления:

Аспект	Струйная обработка вяжущего	Порошковая кровать Fusion
Метод сборки	Жидкие связующие вещества	Лазерная/ электронно-лучевая плавка
Разрешение	~100 мкм	~50 мкм
Пористость	Более высокая, требует инфильтрации	Нижний, плотность 99%+
Отделка поверхности	Неровный, требует обработки	Умеренная, может потребоваться отделка
Механические свойства	Низкий, варьируется в зависимости от части	Более высокая, более равномерная
Точность размеров	±0,3% с усадкой	±0,1% или лучше
Постобработка	Дебридинг, спекание, HIP	Удаление опор, термическая обработка
Размер конструкции	Промышленные масштабы	Маленькие камеры
Требования к времени	Дни	От нескольких часов до 1-2 дней
Экономика	Низкая стоимость деталей, большие объемы	Меньшие объемы, дорогое оборудование

Струйная обработка связующего подходит для создания концептуальных моделей благодаря скорости и низкой стоимости. Сплавление в порошковом слое позволяет создавать высокоточные детали конечного использования с превосходными свойствами.

Молибден-титановые сплавы - Перспективы

Характеристика	Описание	Преимущества	Потенциальные проблемы
Превосходные механические свойства	Молибден (Mo) упрочняет титан (Ti), создавая сплавы с исключительным соотношением прочности и веса, высоким сопротивлением ползучести (стойкость к деформации под напряжением при высоких температурах) и хорошей усталостной прочностью (стойкость к разрушению при циклических нагрузках).	– Идеально подходит для применений, требующих легких, но прочных компонентов, особенно при повышенных температурах. – Обеспечивает эффективные конструкции благодаря меньшему количеству материала, необходимого для того же уровня прочности по сравнению с более тяжелыми альтернативами.	– Добавление молибдена может снизить пластичность сплава (способность пластически деформироваться), что потенциально ограничивает его формуемость для получения сложных форм. – Обработка этих сплавов может быть сложной и требовать специализированных технологий, что потенциально влияет на экономическую эффективность.
Улучшенные характеристики при высоких температурах	Высокая температура плавления молибдена повышает максимальную рабочую температуру сплавов Ti-Mo по сравнению с нелегированным титаном.	– Позволяет использовать их в средах с очень высокой температурой, например, в реактивных двигателях, компонентах ракет и высокопроизводительных печах. – Обеспечивает увеличенный срок службы компонентов в сложных тепловых условиях.	– Устойчивость к окислению, способность сопротивляться реакции с кислородом при высоких температурах, может вызывать беспокойство у некоторых сплавов Ti-Mo. Продолжаются исследования по улучшению их окислительных свойств за счет легирующих добавок или обработки поверхности.
Применение электропроводности	Некоторые сплавы Ti-Mo, особенно с более высоким содержанием Mo, обладают хорошей электропроводностью.	– Полезно для применений, требующих передачи электрического тока, таких как электроды, электрические контакты и мощные резисторы. – Предлагает потенциальную материальную альтернативу традиционным проводникам, таким как медь, в определенных сценариях.	– Электропроводность сплавов Ti-Mo не всегда может соответствовать электропроводности чистой меди, что требует тщательного выбора материала в зависимости от потребностей конкретного применения. – Хрупкое поведение при низких температурах может ограничить их использование в криогенных приложениях.
Новый потенциал аддитивного производства	Разработка порошков сплавов Ti-Mo, совместимых с методами аддитивного производства, такими как 3D-печать, открывает новые возможности для проектирования сложных компонентов и легких конструкций.	– Позволяет создавать сложную геометрию и решетчатые структуры, что потенциально приводит к снижению веса и повышению производительности. – Предлагает большую свободу проектирования по сравнению с традиционными методами производства.	– Производство порошков и оптимизация печатных свойств сплавов Ti-Mo являются постоянными направлениями исследований. – Обеспечение стабильных свойств материалов и контроля качества на протяжении всего процесса аддитивного производства требует дальнейшего развития.
Рост и развитие рынка	Прогнозируется, что мировой рынок сплавов Ti-Mo будет устойчиво расти из-за растущего спроса в аэрокосмическом, биомедицинском и энергетическом секторах.	– Растущий спрос на легкие и высокоэффективные материалы в этих отраслях стимулирует расширение рынка. – Технологические достижения в методах обработки и производства могут еще больше повысить экономическую эффективность и расширить потенциал применения.	– Конкуренция со стороны традиционных материалов, таких как алюминий и высокопроизводительные стали, может ограничить долю рынка в определенных секторах. – Колебания цен на молибден и титан могут повлиять на общую стоимость сплавов Ti-Mo.

Вопросы и ответы

Вопрос: Для чего используется молибден?

О: Обладая превосходными высокотемпературными свойствами, молибден находит широкое применение в качестве легирующей добавки для усиления жаропрочных сталей и суперсплавов, используемых в аэрокосмической промышленности, энергетике, строительстве печей, ракетных компонентов и других ответственных областях.

В: Является ли молибден токсичным?

О: Элементарный молибден и его сплавы, как правило, имеют низкий уровень токсичности и безопасны для использования в технике. Однако некоторые соединения молибдена при длительном вдыхании могут оказывать потенциальное канцерогенное действие, что требует использования защитного оборудования при обращении и обработке.

В: Дорого ли стоит титан?

О: Титановые сплавы отличаются более высокой стоимостью сырья по сравнению со сталями и алюминиевыми сплавами. Однако, учитывая, что при производстве по технологии AM соотношение "покупка - полет" приближается к 1, стоимость готовых титановых деталей может быть экономически выгодной для таких отраслей, как аэрокосмическая, готовых внедрять новые технологии и конструкции.

В: Что делает титан идеальным материалом для имплантатов?

О: Биосовместимость титановых сплавов в сочетании с высоким соотношением прочности и веса делает их идеальными для замены человеческой кости. Модуль упругости может быть снижен до уровня костной ткани путем легирования биосовместимыми бета-стабилизаторами, такими как Nb и Ta, для увеличения срока службы несущих имплантатов.

Вопрос: Какой процесс 3D-печати используется для молибдена и титана?

О: Для изготовления высокопроизводительных деталей конечного использования преимущественно используются такие технологии порошковой плавки, как селективное лазерное плавление (SLM) и электронно-лучевое плавление (EBM). Благодаря высокотемпературному источнику тепла достигается практически полная плотность материала с превосходными свойствами, подходящими для инженерных применений.

В: Зачем смешивать молибден с титановым порошком?

О: Молибден повышает высокотемпературную твердость, сопротивление ползучести и свойства, подобные инструментальной стали, а титан обеспечивает превосходную коррозионную стойкость и низкую плотность. Вместе сплавы, изготовленные путем прямого смешивания их порошков методом AM, представляют собой идеальную комбинацию для передовых применений.

узнать больше о процессах 3D-печати