Введение в порошок титановых сплавов

Порошок титановых сплавов это универсальный конструкционный материал с уникальными свойствами, которые делают его пригодным для передовых применений в различных отраслях промышленности. В этой статье представлен обзор порошковой металлургии титановых сплавов, методов производства, составов, механических и физических свойств, областей применения, технических характеристик, цен, преимуществ и недостатков, а также часто задаваемых вопросов.

Методы производства порошка титановых сплавов

Порошок титановых сплавов может быть произведен различными методами, которые влияют на такие характеристики порошка, как гранулометрический состав, морфология, степень чистоты и другие. Основные способы производства включают:

Метод	Описание	Типичные характеристики порошка
Газовая атомизация	Поток жидкого сплава, распадающийся под действием струй газа высокого давления на мелкие капли, которые затвердевают в порошок	Сферическая морфология, средний и мелкий размер частиц (15-180 мкм), индивидуальные составы сплавов, высокая чистота
Плазменный вращающийся электродный процесс (PREP)	Кончик электрода расплавляется плазменной дугой, центробежная сила образует микрокапли, которые застывают в порошок	Сфероидальные частицы, очень тонкий порошок (25-75 мкм), средняя чистота, широкий выбор сплавов
Гидрид-дегидрид (HDH)	Процесс образования и распада гидридов сплава приводит к получению пористого крупнозернистого порошка	Нерегулярная морфология, большой размер частиц (75-250 мкм), средняя и высокая чистота, ограниченное количество сплавов

Каждый метод производства позволяет получить порошок титанового сплава с различными характеристиками, подходящими для применения в различных отраслях промышленности.

Порошковые композиции из титановых сплавов

Порошок титановых сплавов для металлургии состоит из титана, смешанного в основном с алюминием и ванадием, с незначительными добавками железа, кислорода, углерода и азота. Распространенные составы титановых сплавов по массовой доле включают:

Сплав	Алюминий	Ванадий	Другие элементы
Ти-6Ал-4В (5 класс)	5.5-6.75%	3.5-4.5%	Железо ≤ 0,3%, кислород ≤ 0,2%, углерод ≤ 0,1%, азот ≤ 0,05%
Ti-6Al-4V ELI (Extra Low Interstitial, Grade 23)	5.5-6.5%	3.5-4.5%	Железо ≤ 0,3%, кислород ≤ 0,13%, углерод ≤ 0,08%, азот ≤ 0,05%
Ti-10V-2Fe-3Al	2.5-3.5%	9-11%	Железо 1,8-2,2%, кислород ≤ 0,2%, углерод ≤ 0,1%, азот ≤ 0,05%

Химический состав порошка титановых сплавов может быть подобран таким образом, чтобы оптимизировать характеристики от прочности и твердости до коррозионной стойкости, биологической совместимости, устойчивости к высоким температурам, снижения веса и других приоритетов в зависимости от конечного использования.

Порошок титановых сплавов Свойства

Основные свойства порошковых титановых сплавов, которые используются в различных областях, включают:

Недвижимость	Ti-6Al-4V	Ti-6Al-4V ELI	Ti-10V-2Fe-3Al
Плотность (г/см3)	4.42	4.42	4.35
Температура плавления (°C)	1604-1660	1604-1660	1590-1650
Предельная прочность на разрыв (МПа)	860-1200	860-1050	900-1150
Предел текучести (МПа)	750-1100	760-960	800-1050
Удлинение при разрыве (%)	8-15	8-12	7-14
Модуль упругости (ГПа)	100-115	95-115	90-110
Твердость (HRC)	30-38	32-36	30-40

Порошковые титановые сплавы обладают улучшенными свойствами, сочетая легкий вес титана с высоким соотношением прочности и веса, вязкостью разрушения, усталостной прочностью и коррозионной стойкостью, подходящими для критических применений.

Применение порошка из титановых сплавов

Легкая прочность, биосовместимость и устойчивость к экстремальным условиям окружающей среды делают титановые сплавы универсальным выбором на всех рынках. Типичные области применения включают:

Промышленность	Приложения
Аэрокосмическая промышленность	Двигатели и конструктивные элементы самолетов, конструкции космических аппаратов, ракеты
Медицина	Ортопедические и зубные имплантаты, хирургические инструменты, протезы
Автомобильная промышленность	Клапаны, шатуны, пружины, крепеж, компоненты выхлопной системы
Химическая	Насосы, клапаны, трубы, резервуары, реакционные сосуды для обеспечения коррозионной стойкости
Производство электроэнергии	Лопатки паровых и газовых турбин, компоненты морских платформ
Спортивные товары	Клюшки для гольфа, теннисные ракетки, велосипеды и другое высокопроизводительное снаряжение
Нефть и газ	Скважинные трубы, морские буровые установки, устьевые компоненты

В этих сложных условиях в различных отраслях используются такие свойства титановых сплавов, как высокое соотношение прочности и веса, усталостная прочность, вязкость разрушения, коррозионная стойкость и биосовместимость.

Технические характеристики порошка из титановых сплавов

Порошки титановых сплавов производятся в стандартных спецификациях по химическому составу, гранулометрическому составу, морфологии и другим параметрам, адаптированным к потребностям аддитивного производства или прессования и спекания.

Параметр	Спецификация
Марка сплава	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti-10V-2Fe-3Al, другие марки
Форма частиц	Сферические, неправильные формы
Диапазон размеров частиц (мкм)	15-45, 45-100, 100-180 предпочтительно для AM
Скорость потока Холла (с/50 г)	>32 секунд, что свидетельствует о хорошей текучести порошка
Кажущаяся плотность (г/см3)	2,7-3,2 для сферического, 2,2-2,8 для неравномерного порошка
Плотность отвода (г/см3)	>4,0, повышает эффективность упаковки

Выполнение химических анализов в допустимых пределах по кислороду, азоту, углероду, железу и другим микроэлементам очень важно для получения высокоэффективного порошка. Эти характеристики обеспечивают пригодность к обработке в технологиях AM или прессования и спекания.

Сравнение порошков титановых сплавов

Наиболее распространенные варианты порошковых титановых сплавов - Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI и Ti-10V-2Fe-3Al - имеют различные преимущества по свойствам:

	Ti-6Al-4V	Ti-6Al-4V ELI	Ti-10V-2Fe-3Al
Прочность	Высокая прочность	Немного ниже прочность, но лучше пластичность	Прочность сопоставима с Ti-6Al-4V
Свариваемость	Умеренный	Отличный	Лучше, чем Ti-6Al-4V
Коррозионная стойкость	Умеренный	Лучше, для чувствительных приложений	Превосходная коррозионная стойкость
Стоимость	Умеренная цена	Небольшое повышение стоимости	Более низкая стоимость по сравнению со сплавами Ti-6Al-4V
Биосовместимость	Отличный	Превосходно подходит для имплантации тела	Менее предпочтительны для медицинских изделий

Порошок марки Ti-6Al-4V ELI отличается пластичностью, свариваемостью, биосовместимостью и коррозионной стойкостью, но стоит дороже, а сплав Ti-10V-2Fe-3Al превосходит по коррозионной стойкости при более низкой цене, но проигрывает по биомедицинской пригодности по сравнению со сплавами марок 5 и 23.

Цены на порошок из титановых сплавов

Порошок титановых сплавов значительно превосходит по цене стальные порошки благодаря интенсивности обработки и уникальным свойствам:

Степень порошкообразности	Диапазон цен (USD за кг)
Ti-6Al-4V	120 – 160
Ti-6Al-4V ELI	135 – 185
Ti-10V-2Fe-3Al	100 – 165

Стоимость зависит от метода производства, химического состава, распределения размеров, формы и количества заказа. Порошок неправильной формы может быть дешевле, чем сферический. Также применяются надбавки к цене за аргоновую или вакуумную упаковку. Значительные скидки за объем также снижают стоимость за килограмм.

Порошок титановых сплавов Плюсы и минусы

	Плюсы	Cons
Механические свойства	Высокое соотношение прочности и веса, прочный, но легкий	Более низкая прочность по сравнению с некоторыми стальными сплавами
Физические свойства	Коррозионная стойкость, биологическая совместимость, немагнитность, теплопроводность	Высокая реакционная способность с такими элементами, как кислород, требующая инертного обращения
Обработка	Пригодность для различных методов AM, возможность термообработки	Сферический порошок дороже в производстве по сравнению со сталями
Производительность	Превосходная вязкость разрушения, усталостная прочность, износостойкость	Может подвергаться водородному охрупчиванию, склонна к задирам
Экономика	Возможность экономии веса	Более высокая стоимость материала по сравнению со стальными альтернативами

Порошковые титановые сплавы улучшают эксплуатационные характеристики, но требуют больших затрат. Они превосходят сталь по удельной прочности, а также по устойчивости к воздействию окружающей среды, но отстают по абсолютной прочности и стоимости. Короткая усталостная прочность, поглощение водорода и абразивный износ также могут стать проблемой для некоторых титановых сплавов.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Вопрос	Отвечать
Какие основные титановые сплавы выпускаются в виде порошка?	Наиболее используемыми порошками титановых сплавов являются Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI и Ti-10V-2Fe-3Al, которые производятся в обычных для AM-технологий гранулометрических составах и композициях. Также возможно изготовление сплавов по индивидуальному заказу.
Какой диапазон размеров частиц лучше всего подходит для порошкового метода AM титановых сплавов?	Оптимальным является диапазон размеров частиц 15-100 микрон при среднем размере 30-60 микрон. Слишком мелкие частицы приводят к проблемам при работе с порошком и его распределении. Слишком крупный размер может привести к образованию менее плотных деталей.
Как хранится и обрабатывается порошок титановых сплавов?	Продувка инертным газом и минимальный контакт с воздухом очень важны, чтобы избежать попадания кислорода, который может изменить химический состав сплава. Вакуумные герметичные контейнеры и заполненные аргоном перчаточные боксы обеспечивают эффективное хранение и обработку порошка.
Какая постобработка используется для титановых деталей AM?	Термообработка, такая как горячее изостатическое прессование и отжиг, помогает улучшить механические свойства. Финишная обработка поверхности может включать в себя обработку на станках с ЧПУ, сверление, шлифовку и полировку. Дробеструйное упрочнение также используется для создания сжимающих напряжений.
Можно ли перерабатывать титановые сплавы после аддитивного производства?	Да, отработанный титановый порошок часто можно утилизировать, просеять и смешать с первичным порошком для повторного использования. Для некоторых титановых сплавов достигаются показатели выхода вторичного сырья более 90%, что обеспечивает значительную экономию средств.

Выводы

Благодаря таким свойствам, как высокая удельная прочность, усталость и коррозионная стойкость, порошки титановых сплавов позволяют создавать более легкие и прочные детали для аэрокосмической, медицинской, автомобильной, энергетической и других ответственных областей применения. Достижения в области порошковой металлургии титана способствуют дальнейшему расширению применения порошков, оптимизированных для методов AM.

Ведущие марки титана Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI и Ti-10V-2Fe-3Al сочетают в себе такие свойства, как прочность, пластичность, вязкость, свариваемость, биологическая совместимость и химическая стойкость по привлекательной цене. Дальнейшее развитие титановых сплавов и прогресс в возможностях AM-технологии металлов ускорят использование титанового порошка для изготовления критически важных компонентов.

узнать больше о процессах 3D-печати