Титановый порошок для 3D-печати

титановый порошок для 3d-печати это прочный, легкий и устойчивый к коррозии металл, который идеально подходит для 3D-печати сложных и прочных деталей в аэрокосмической, медицинской, автомобильной и других промышленных отраслях. В этой статье представлен полный обзор порошковой металлургии титана для аддитивного производства.

Обзор титановый порошок для 3d-печати

Титан - один из самых популярных металлов, используемых в технологиях 3D-печати методом порошкового напыления и направленного энергетического осаждения. Среди ключевых преимуществ 3D-печатных титановых деталей можно выделить следующие:

• Высокое соотношение прочности и массы
• Выдерживает экстремальные температуры и коррозию
• Биосовместимость для медицинских имплантатов
• Сложные геометрические формы, невозможные при литье или механической обработке
• Уменьшение количества отходов по сравнению с субтрактивными методами
• Сокращение сроков изготовления и затрат по сравнению с традиционным производством титана

Однако титан реактивен при высоких температурах и требует инертной среды в камере при печати с использованием газов аргона или азота. Свойства 3D-печати титана зависят от различных факторов:

Ключевые факторы, влияющие на свойства титана при 3D-печати

При оптимальных параметрах 3D-печатные титановые детали соответствуют или превосходят свойства деформируемых изделий, позволяя создавать инновационные конструкции, невозможные при использовании субтрактивных методов.

Виды титановый порошок для 3d-печати для AM

Титановые сплавы выпускаются различных марок, предназначенных для различных процессов аддитивного производства. Наиболее распространенными титановыми порошками являются:

Распространенные марки титанового порошка для 3D-печати

Гранулометрический состав является ключевой характеристикой, определяющей конечную плотность и качество поверхности. Более мелкие порошки размером 10-45 мкм лучше текут и уплотняются, а более крупные порошки размером более 100 мкм облегчают удаление порошка и снижают затраты на материал.

Технические характеристики титанового порошка

Производители постоянно совершенствуют методы производства титанового порошка и составы сплавов, чтобы удовлетворить растущий спрос на высокопроизводительные компоненты из титана, изготовленные методом аддитивного производства, в различных отраслях промышленности.

Как изготавливается титановый порошок

Порошок металлического титана имеет более высокое отношение площади поверхности к объему по сравнению с твердыми формами, такими как слитки или сырьевая проволока. Существует несколько современных технологий производства порошков:

• Плазменное распыление - Высокоскоростные струи инертного газа разбивают потоки расплавленного титана на мелкие капли, которые быстро застывают в сферические порошки с гладкой морфологией поверхности. Это позволяет получить частицы одинакового размера с небольшим количеством сателлитов.
• Газовая атомизация - Как и при плазменном распылении, при более низком давлении газа образуются менее мелкие порошки, пригодные для EBM-печати. В порошках наблюдаются брызги неправильной формы и сателлиты.
• Процесс с вращающимся электродом - Прутки или проволока из титанового сплава расплавляются дугой в инертной атмосфере, центробежные силы выбрасывают металл, который затем застывает в сплюснутые сферические частицы. Экономичное производство порошков, похожих на губку.
• Гидрид-дегидридный процесс - Мелкодисперсный порошок гидрида титана разлагается в вакууме, в результате чего он распадается на мелкодисперсный порошок металлического титана с более высокой примесью кислорода около 0,35-0,5%.

Все методы требуют тщательного просеивания и сепарации порошка для получения фракций определенного размера, подходящих для 3D-печати, обычно около 10-150 микрон. Гладкие сферические частицы обеспечивают лучшую плотность упаковки и текучесть. Перед использованием необходимо провести соответствующую рекондиционирование порошка, смешивание и хранение в инертной атмосфере.

Производители титанового порошка

Среди основных мировых поставщиков титановых порошков для печати можно назвать следующих:

Эти компании постоянно совершенствуют производственные процессы и стандарты качества, чтобы поставлять бездефектные титановые порошки, предназначенные для всех основных металлических 3D-печатных машин.

Стоимость титанового порошка

Как легкий конструкционный материал, металлические порошки титана примерно в 4-5 раз дороже алюминия и в 2-3 раза дороже обычных сталей по весу. Цены варьируются в зависимости от марки сплава, качества, размера партии - от нескольких килограммов до тонны.

Отходы титанового порошка, полученные в результате 3D-печати, можно использовать повторно, чтобы компенсировать затраты на материал после проверки на загрязнение и подтверждения свойств. Общая стоимость детали зависит не только от затрат на сырье, но и от скорости сборки, трудозатрат, сложности конструкции и последующей обработки.

Области применения 3D-печатных титановых деталей

Благодаря своей долговечности, биосовместимости и свободе дизайна металлическая 3D-печать расширяет применение титана в различных отраслях промышленности:

Аэрокосмическая промышленность - Компоненты авиационных и ракетных двигателей, каркасы самолетов, вертолетов, беспилотников. Сокращение количества деталей до 90% по сравнению со сборными конструкциями.

Медицина и стоматология - Ортопедические имплантаты, протезы, фиксаторы и инструменты, для которых важна высокая прочность и биологическая совместимость. Позволяет создавать индивидуальные конструкции в соответствии с анатомией пациента.

Автомобили и автоспорт - Облегчение таких деталей, как шатуны, переключатели скоростей, гребные валы, при соблюдении требований безопасности. Позволяет повысить производительность за счет оптимизации топологии.

Промышленное оборудование - Твердые титановые крыльчатки, клапаны, трубы, теплообменники устойчивы к коррозии/эрозии. Конформные каналы охлаждения минимизируют износ инструмента при литье под давлением.

Потребительские товары - Индивидуальные спортивные снаряды, такие как велосипедные рамы, головки клюшек для гольфа, весла для байдарок, с интегрированными эргономичными титановыми решетками.

3D-печать позволяет создавать новые геометрические формы титана, недостижимые при литье, и поддерживать малосерийное производство, характерное для специализированных применений, с ускоренными сроками изготовления и экономией затрат на протяжении всего жизненного цикла.

Процессы 3D-печати на металле для титана

Существует несколько технологий аддитивного производства, подходящих для сплавления титанового порошка:

Процессы плавления в порошковом слое

Эти процессы с порошковым слоем подразумевают нанесение тонкого слоя титанового порошка, его выборочное расплавление с помощью сфокусированного источника тепла, опускание плиты и повторение процесса для создания деталей снизу вверх. Камера с инертным газом предотвращает окисление при высоких температурах. Пулы расплава быстро застывают, образуя мелкие равноосные зерна титана, что приводит к изотопным свойствам, схожим с деформируемыми изделиями.

SLM и DMLS обеспечивают более высокое разрешение и качество обработки поверхности, в то время как EBM обеспечивает более высокую скорость изготовления для более дешевых прототипов с низкой плотностью. Гибридные многолазерные системы снижают стоимость деталей и время их изготовления.

Направленное энергетическое осаждение

Процессы DED, такие как лазерное формование сетки (LENS), вдувают металлический порошок в расплавленный бассейн, созданный сфокусированным лазером или дугой, на пластину-подложку для нанесения шариков друг на друга. DED идеально подходит для крупных деталей почти сетчатой формы, которые подвергаются окончательной механической обработке. Титановые сплавы с более высокой прочностью, пластичностью, вязкостью разрушения и сопротивлением ползучести могут быть изготовлены с помощью оптимизированных параметров LENS.

Струйная обработка вяжущего

С помощью технологии струйной печатающей головки связующее вещество выборочно наносится на слой титанового порошка для послойного формирования зеленых компактных деталей. Спекание при высоких температурах позволяет достичь плотности ~95%, избегая остаточных напряжений во время печати. Струйная обработка связующим веществом больше подходит для небольших титановых деталей с умеренными структурными нагрузками и свойствами ниже деформируемых материалов.

Постобработка титановый порошок для 3d-печати Части

После изготовления титановые компоненты могут пройти несколько этапов последующей обработки:

• Удаление несущих конструкций с помощью проволочной резки EDM
• Термообработка для снятия напряжения
• Горячее изостатическое прессование (HIP)
• Раствор для обработки и старения
• Дробеструйное упрочнение для создания сжимающих напряжений
• Обработка - точение, сверление, фрезерование для соблюдения требований к допускам на критических сопрягаемых поверхностях
• Обработка поверхности - шлифование, пескоструйная обработка, полировка, травление для придания гладкости поверхности
• Очистка и стерилизация медицинских деталей

При обработке HIP используется газ аргон под высоким давлением в вакууме при повышенной температуре. Это помогает устранить внутренние пустоты и микропористость, тем самым повышая усталостную прочность в 5-10 раз для критически важных аэрокосмических компонентов. Однако HIP изменяет микроструктуру отпечатанного материала.

Общая стоимость деталей возрастает из-за длительных ручных операций постобработки для критически важных приложений. Интегрированные автоматизированные станции постобработки появляются рядом с металлическими принтерами, а усилия по стандартизации качества во всей цепочке создания стоимости AM обещают более высокую последовательность и повторяемость конечных титановых компонентов.

Свойства 3D-печатных титановых сплавов

Механические свойства широко используемых титановых сплавов зависят от различных факторов, таких как качество порошка, толщина слоя, параметры лазера, ориентация сборки, термообработка и HIP.

Свойства Ti-6Al-4V ELI

Ti-6Al-4V ELI демонстрирует прочность на разрыв и твердость, сравнимые или более высокие, чем у традиционных деформируемых изделий, а пластичность и высокоцикловая усталость приближаются к свойствам кованых материалов после HIP.

Свойства Ti-6Al-7Nb

Добавка ниобия повышает биосовместимость по сравнению с ванадием и обеспечивает прочность, превышающую традиционные имплантаты из Ti-6Al-4V. Оптимизированные параметры SLM позволяют получить плотные структуры Ti-6Al-7Nb медицинского класса, превосходящие по своим свойствам деформируемые.

Рекомендации по проектированию и ограничения

Чтобы в полной мере использовать преимущества порошкового наплавления, инженеры должны разрабатывать детали специально для аддитивного производства:

Оптимальные методы проектирования

• Минимизация ненужной массы для снижения веса с помощью решетчатых конструкций
• Консолидация узлов в отдельные компоненты
• Воплощение органических форм, контуров, недоступных при обработке
• Встраивание сходящихся каналов охлаждения, что невозможно при использовании отливок
• Усиление участков с высокими нагрузками с помощью гироидного наполнителя или текстуры
• Стандартизация интерфейсов, фитингов и приспособлений для модульных сборок
• Параметризация семейств деталей с сохранением общих критических характеристик

Пределы проектирования

• Для углов свеса более 60 градусов требуются опоры
• При соотношении сторон более 5:1 существует риск обрушения или деформации
• Минимальная толщина стенок ~0,8 мм, мелкие детали > 0,4 мм
• Плотные карманы могут задерживать не спекшийся порошок, требующий отверстий для эвакуации.
• Избегайте полых полостей, изолированных от доступа для удаления порошка
• Для снятия остаточных напряжений необходимы большие галтели
• Пост-обработка необходима для сопряжений, уплотнений, подшипников

Предварительное обучение инженеров по DfAM в сочетании с опытными конструкторами AM может предотвратить повторные работы из-за отсутствия готовых к производству конструкций, необходимых для конечных металлических печатных деталей.

Сравнительный анализ

3D-печать против литого или обработанного титана

Профессионалы аддитивного производства

• Свобода проектирования для легких конструкций
• Сокращение количества деталей за счет консолидации
• Нестандартные формы, соответствующие требованиям месторождения
• Отказ от использования инструментов, необходимых для изготовления литейных форм или ЧПУ
• Более безопасный, устойчивый процесс с меньшим количеством отходов
• Сокращение сроков изготовления партий небольшого объема

Cons

• Более низкая скорость сборки по сравнению с массовым производством
• Ограничения по размеру, накладываемые небольшими камерами для сборки
• Более высокая стоимость одной детали при средних количествах
• Масштабная очистка опор, вызывающая дефекты поверхности
• Постобработка снижает свойства отпечатанного материала
• Анизотропия приводит к появлению направленных слабостей
• Стандарты и квалификация еще только формируются

3D-печатный титан в сравнении с другими металлами

Титан выделяется там, где высокотемпературные механические характеристики сочетаются с гибкостью конструкции, низкой массой и устойчивостью к экстремальным условиям. Расширенные возможности AM помогают преодолеть традиционные проблемы производства, связанные с высокими коэффициентами закупок и длительными сроками изготовления, которые ограничивали применение титана ранее, несмотря на его выдающиеся свойства.

Перспективы развития промышленности и будущее титана AM

Аддитивное производство - один из самых быстрорастущих сегментов производства: принтеры становятся все больше и быстрее, в них используется несколько лазеров и роботизированные руки. Титановые детали проходят квалификацию для серийного производства в авиации, космосе, энергетике, автоспорте и медицине.

Некоторые тенденции, влияющие на внедрение технологии порошковой плавки титана:

• Снижение стоимости системы повышает ее доступность
• Автоматизированная постобработка, обеспечивающая воспроизводимость
• Методы аддитивного производства большой площади (BAAM) для крупных титановых конструкций
• Новые специализированные сплавы с превосходной прочностью при ползучести и усталости
• Моделирование и искусственный интеллект для прогнозирования дефектов, оптимизации процессов, обеспечения качества
• Гибридная печать, сочетающая аддитивную и субтрактивную технологии, контроль, автоматизацию
• Зрелость цепочки поставок, обеспечивающая прослеживаемость материалов и соблюдение технологических стандартов

По мере того как титановые AM-детали получают сертификаты безопасности полетов и медицинских сертификатов, 3D-печать способна преобразовать такие тяжелые отрасли, как аэрокосмическая, с помощью моделей распределенного производства. Компании сотрудничают по всей цепочке создания стоимости, внедряя инновационные разработки в критически важные приложения быстрее и с меньшими затратами, чем это было возможно ранее.

узнать больше о процессах 3D-печати