Титановый порошок для 3D-печати

Обзор

Титан - прочный, легкий конструкционный металл, который находит широкое применение в аддитивном производстве в аэрокосмической, медицинской, автомобильной и промышленной отраслях. Порошки титановых сплавов, таких как Ti-6Al-4V, позволяют печатать сложные детали в 3D, обеспечивая высокую прочность, коррозионную стойкость и биосовместимость.

Выборочное лазерное плавление (SLM) и электронно-лучевое плавление (EBM) позволяют перерабатывать тонкий титановый порошок в полностью плотные компоненты со сложным дизайном, которые невозможно получить с помощью механической обработки или литья. В этом руководстве рассматриваются составы титановых сплавов, данные о свойствах, области применения, параметры принтера и поставщики, чтобы использовать преимущества 3D-печати металлов.

Состав порошков для титановой печати

Титановые сплавы состоят в основном из титана и других легирующих элементов, таких как алюминий, ванадий, железо, молибден и другие, для улучшения специфических свойств. Наиболее распространенные марки титана для AM включают:

• Ti-6Al-4V (Grade 5) - самый популярный титановый сплав, прочность которого обеспечивается стабилизацией +Al и закалкой осадками +V. Вариант со сверхнизким содержанием интерстиция (ELI) обладает высокой пластичностью.
• Сплав Ti 6242 заменяет часть ванадия, чтобы сделать его более подходящим для биосовместимых ортопедических имплантатов, требующих остеоинтеграции.
• Содержание таких микроэлементов, как железо, кислород, азот и углерод, сведено к минимуму, поскольку их присутствие сверх установленных пределов негативно сказывается на механических свойствах.

Свойства порошков для металло-титановой печати

Основные свойства материала, которые делают титановые сплавы привлекательными для использования в авиации и медицине, включают:

• Высокая прочность при низкой плотности (в два раза меньше, чем у стали) делает титановые компоненты более легкими. По прочности он превосходит обычные алюминиевые сплавы, но при этом не подвержен коррозии.
• Достаточно вязкий для холодной штамповки. Варианты со сверхнизким содержанием интерстиция, такие как Ti64 ELI, еще больше увеличивают удлинение.
• Температура плавления превышает 1600°C. Хорошо сохраняет свойства при 400-500°C.
• Тепло- и электропроводность довольно низкие, чтобы избежать искр и изолировать тепло.

Области применения металлических 3D-печатных деталей из титана

Аэрокосмическая промышленность

• Конструктивные кронштейны, ребра жесткости, крыльчатки и фитинги
• Облегченные корпуса турбокомпрессоров и теплообменники
• Конформные каналы охлаждения, интегрированные в турбинные секции реактивных двигателей
• Рамы для БПЛА/беспилотников, изготовленные по индивидуальному заказу и соответствующие компонентам

Медицина и стоматология

• Ортопедические имплантаты для колена, бедра, позвоночника и челюсти, такие как ацетабулярные чашки
• Зубные абатменты для коронок и мостов
• Индивидуальные пластины для реконструкции черепа с учетом анатомии пациента

Автомобильная промышленность

• Кронштейны корпуса двигателя и компоненты подвески
• Конформное охлаждение с близким контуром, интегрированное в литьевые формы
• Облегченные роторы тормозных дисков со сложной геометрией воздушного потока

Параметры процесса 3D-печати титана

Ключевые параметры при использовании титанового порошка в процессах порошковой плавки:

Настройки LPBF

Настройки EBM

LPBF требует опорных конструкций, в то время как EBM создает металл без посторонней помощи. Плотность ≥99% достигается после снятия напряжения и горячего изостатического прессования. Минимальная толщина стенок обычно достигает 100-150 микрон.

Поставщики титановых порошков для печати

Ведущие компании по производству металлов сертифицировали титановые порошки для аддитивных процессов:

Стоимость титановых порошков для печати

Как передовой легкий сплав для высокопроизводительных применений, титановый порошок стоит дорого:

• Цены на материалы варьируются от $200 до $500 за кг.
• Нестандартные сплавы с малым размером частиц и высокой чистотой еще больше увеличивают затраты
• Переработанный порошок дешевле при условии хорошей текучести

Постобработка титановых 3D-печатных деталей

После печати титановые детали подвергаются обработке:

Удаление опоры - Аккуратное отделение опор с помощью электроэрозионной резки, где это возможно, отщелкивание мелких элементов

Снятие стресса - Мягкая термообработка всей плиты до 650°C в течение 2 часов в аргоне для снижения остаточных напряжений

Горячее изостатическое прессование - HIP-процесс при 920°C и 100 МПа в течение 3 часов для закрытия внутренних пустот >99% плотность

Лечение раствором - Выдержка при 705°C в течение 1 часа, затем воздушная/водная закалка для получения желаемой микроструктуры

Обработка - Фрезерование с ЧПУ критических сопрягаемых поверхностей для соблюдения допусков на размеры

Дробеструйная обработка + кислотная травля - Алюмооксидная дробь с последующим кислотным травлением для очистки поверхностей

Испытание качества - Убедитесь, что химический состав, микроструктура, качество послойной обработки и механические свойства соответствуют спецификациям

Стандарты для титановой 3D-печати

Перспективы развития порошковой печати с использованием титана

В то время как аэрокосмическая отрасль в настоящее время является лидером спроса на 70% благодаря значительной консолидации деталей и снижению веса, внедрение титанового AM будет ускоряться в автомобильной промышленности, производстве спортивных товаров и других потребительских секторах по мере снижения стоимости. Другие области применения титановой печати включают:

Аэрокосмическая промышленность - Более крупные и полностью напечатанные первичные конструкции, такие как лопатки турбин и будущие секции пассажирских салонов, используют преимущества в сложности конструкции, консолидации деталей и коррозионной стойкости.