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

Параметр	Описание	Влияние на свойства
Марка титанового сплава	Уровни чистоты титана, алюминия, ванадия и т.д.	Прочность, твердость, пластичность, коррозионная стойкость
Распределение порошка по размерам	Диапазон от мелких до крупных частиц порошка	Плотность, обработка поверхности, точность
Толщина слоя	Более тонкие слои улучшают разрешение, но увеличивают время печати	Точность, допуски, шероховатость поверхности
Источник энергии	Лазер, электронный луч, плазменная дуга	Локализованное плавление, нагрев, скорость охлаждения влияют на микроструктуру
Ориентация печати	Вертикальные и горизонтальные структуры	Анизотропная прочность, могут потребоваться опоры
Горячее изостатическое прессование	Постобработка для устранения пор	Значительно повышает плотность, усталостную прочность

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

Сплав	Описание	Приложения
Ti-6Al-4V ELI	Сверхнизкая интерстициальная версия рабочего сплава Ti64	Аэрокосмические компоненты, биомеханические имплантаты
Ti 6Al-4V	Самый популярный сорт, хорошая прочность и коррозионная стойкость	Автомобили, морское оборудование, спортивные товары
Ti-6Al-7Nb	Более высокая биосовместимость по сравнению с Ti64	Ортопедические и стоматологические имплантаты, хирургические инструменты
CP-Ti Класс 2	Коммерчески чистый титан, более мягкий, чем сплавы	Оборудование для пищевых/химических процессов
Ti-555	Аэрокосмический класс с высокой прочностью	Конструктивные элементы самолетов, ракетные двигатели
Ти-1023	Исключительная усталостная прочность и сопротивление ползучести	Лопасти турбин, шасси, крепеж

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

Параметр	Типовой диапазон
Размер частиц	15-45 мкм, до 150 мкм
Расход	<15 с/50 г
Кажущаяся плотность	2,1-3,0 г/см3
Плотность отвода	3,2-4,1 г/см3
Чистота	>99,5% титан
Содержание кислорода	<0.20%
Содержание азота	<0,03%
Содержание водорода	<0,015%

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:

Компания	Расположение	Продукция
AP&C	Канада	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-7Nb, нестандартные сплавы
Столярная присадка	США	Ti-6Al-4V, Ti 6-4 ELI, нестандартные марки
GKN Additive	Швеция	Марки Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-4V, Ti-64
Технология LPW	ВЕЛИКОБРИТАНИЯ	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, смешанные сплавы
Praxair	США	CP Ti сорт 2, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI
TLS Technik	Германия	Сплавы Ti-6Al-4V, Ti-Al-Fe

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.

Сплав	Диапазон цен за кг
CP Ti Gr 2	$50 – $150
Ti-6Al-4V	$80 – $450
Ti-6Al-4V ELI	$100 – $650
Ti 6Al-7Nb	$250 – $1000
Ti-555	$150 – $850
Ти-1023	$500 – $2000

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

Процесс	Описание	Примеры аппаратного обеспечения
DMLS	Прямое лазерное спекание металла плавит порошок с помощью волоконного лазера	Серия EOS M
SLM	Селективное лазерное плавление полностью расплавляет порошок в плотные детали	Решения SLM
EBM	Электронный луч избирательно плавит порошок в вакууме	Arcam A2X

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

Параметр	В распечатанном виде	После HIP	Кованый Ti-6Al-4V ELI
Прочность на разрыв	1050 - 1250 МПа	~980 МПа	860 - 965 МПа
Предел текучести (смещение 0,2%)	1000 - 1150 МПа	~930 МПа	795 - 880 МПа
Удлинение при разрыве	8 – 15%	10 – 18%	10 – 16%
Модуль упругости	100 - 114 ГПа	110 - 115 ГПа	110 - 114 ГПа
Усталостная прочность (10^7 циклов)	400 - 600 МПа	500 - 800 МПа	550 - 750 МПа
Твердость	34 - 44 HRC	32 - 40 HRC	33 - 37 HRC

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

Параметр	Типичные печатные значения	Кованые
Прочность на разрыв	900 - 1300 МПа	860 - 1100 МПа
Предел текучести (смещение 0,2%)	800 - 1250 МПа	795 - 965 МПа
Удлинение при разрыве	5 – 15 %	8 – 20%
Модуль упругости	95 - 115 ГПа	100 - 115 ГПа
Твердость	~334 HV	~302 HV

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

Параметр	Титан	Алюминий	Нержавеющая сталь	Никелевые сплавы
Прочность	Высокая	Средний	Средний	Очень высокий
Жесткость	Средний	Средний	Высокая	Высокая
Плотность	Легкий	Очень легкий	Тяжелее	Тяжелее
Стоимость	Высокая	Низкий	Средний	Высокая
Срок службы при температуре	Отличный	Ярмарка	Лучше	Лучшее
Коррозионная стойкость	Отличный	Ярмарка/Покрытия	Лучшее	Лучше
Биологическая совместимость	Отличный	Хороший	Ярмарка	Бедный
Магнитные свойства	Нет	Нет	Слегка магнитный	Магнит

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