Металлический порошок титана

металлический порошок титана Металлургия позволяет изготавливать современные легкие конструкционные детали, сочетающие высокую удельную прочность, коррозионную стойкость и биосовместимость. В данном руководстве рассматриваются методы производства титанового порошка, его характеристики, стратегии легирования, области применения, технические характеристики, цены и сравнение с другими металлами. В нем также представлены направления исследований и рекомендации экспертов по обработке титанового порошка для оптимизации свойств.

Обзор

Ключевые свойства делают металлический порошок титана полезным во всех отраслях промышленности - от аэрокосмической до медицинской:

• Самое высокое соотношение прочности и веса среди всех металлических элементов
• Полностью биосовместимые и нетоксичные
• Устойчив к соленой воде, водной и физиологической коррозии
• Термически инертны при температурах от криогенных до 600°C
• Более пластичные, чем конкурирующие высокопрочные сплавы
• Совместимость 3D-печати с порошковым напылением
• Позволяет создавать легкие композиты и армированные конструкции

Продолжающиеся разработки в области порошковой металлургии титана теперь позволяют печатать более крупные детали для ортопедических имплантатов, аэрокосмических компонентов, автомобильных систем и многих других инженерных приложений, используя присущие титану преимущества.

Металлический порошок титана Состав

Коммерчески чистый титан включает в себя титан >99% с низким содержанием примесей кислорода и железа:

Элемент	Вес %	Роль
Титан (Ti)	99.5%+	Коррозионная стойкость, прочность
Кислород (O)	<0.20%	Загрязнитель - снижает пластичность
Железо (Fe)	<0.30%	Загрязнитель - снижает коррозионную стойкость
Азот (N)	<0,03%	Загрязнитель - вызывает охрупчивание
Углерод (C)	<0.10%	Загрязнитель - уменьшает сцепление

Из-за высокой реакционной способности титана он никогда не встречается в чистом виде в природе. Но после извлечения и очистки в порошок он демонстрирует исключительные свойства, подходящие для изготовления высокоэффективных деталей.

Характеристики и свойства

• Высокая прочность на разрыв - 490 МПа
• Плотность - 4,5 г/см3
• Температура плавления - 1668°C
• Тепловое расширение - 8,6 мкм/(м.К)
• Электрическое сопротивление - 420 нΩ.м
• Теплопроводность - 21,9 Вт/(м.К)
• Парамагнитный, не обладающий биотоксичностью
• Отличная биосовместимость

Эти свойства в значительной степени зависят от контроля примесей на этапах производства порошка, как описано далее.

Методы производства титановых порошков

Процесс Армстронга

• Восстановление тетрахлорида титана натрием/магнием в инертной атмосфере
• Порошок с низким содержанием промежуточных элементов подходит для аддитивного производства

Гидридно-дегидридный процесс (HDH)

• Наиболее распространенный метод преобразования титановой губки в сферический порошок
• Более низкая стоимость, но более высокое содержание кислорода, требующее оптимизации

Шаги	Подробности
Сырье	Титановый слиток или губка
Гидрирование	Процесс реакции Ti с водородом для получения хрупкого TiH2
Фрезерование	Дробление гидрида на мелкие частицы порошка
Дегидрирование	Аккуратное удаление водорода из TiH2
Кондиционирование	Осушение, смешивание, регулировка гранулометрического состава
Окончательное тестирование	Химические анализы, распределение частиц по размерам, проверка морфологии

Ключевые характеристики:

• Размер частиц варьируется от 15 до 150 микрон.
• Околосферические морфологии с некоторыми спутниками
• Контролируемый низкий уровень примесей кислорода и азота
• Минимизация окисления поверхности с помощью стабилизирующей термообработки
• Возможность смешивания гидридных порошков по индивидуальному заказу

В следующем разделе рассматриваются некоторые подходы к консолидации титанового порошка в конечные детали и компоненты.

Приложения с использованием Металлический порошок титана

Аддитивное производство

• 3D-печать сложных геометрических форм с помощью лазерного порошкового наплавления
• Аэрокосмические и медицинские имплантаты, такие как ортопедические коленные/бедренные суставы
• Облегчение веса деталей, подвергнутых механической обработке

Порошковое литье под давлением

• Большие объемы мелких деталей, таких как крепеж
• Экономически эффективная консолидация в титановом оборудовании

Литье металлов под давлением

• Небольшие сложные титановые детали с тонкими стенками
• Коррозионностойкие клапаны и фитинги

Пресс и агломератор для порошковой металлургии

• Горячее изостатическое прессование инкапсулированного титана
• Пористые структуры как поверхности для роста костей

Термическое напыление

• Износостойкие и коррозионностойкие титановые покрытия
• Восстановление изношенных деталей с помощью металлических покрытий

Появляющиеся: Струйная 3D-печать с использованием полимерных клеев наряду с ультразвуковой консолидацией и технологиями холодного напыления, которые сейчас находятся в стадии разработки.

Далее мы приведем общие технические характеристики, используемые при заказе титанового порошка.

Технические характеристики титанового порошка

Имеющийся в продаже титановый порошок для промышленного использования соответствует установленным показателям качества:

Параметр	Типовые значения
Распределение частиц по размерам	От 10 мкм до 150 мкм
Форма частиц	Преимущественно сферические
плотность ответвления	2,2 г/куб. см до 3,0 г/куб. см
Кажущаяся плотность	1,5 г/куб.см - 2,0 г/куб.см
Чистота	99,7% содержание титана
Примесь кислорода	<2000 ppm
Примесь азота	<150 ppm
Примесь водорода	<100 ppm
Текучесть	Улучшение благодаря сухим покрытиям

Инженерия частиц - Меньше - сложно, но лучше. При размере более 100 микрон есть риск появления дефектов.

Чистота - Имеет важное значение для свойств и зависит от способа производства.

Характеристики порошка - Соответствует технике консолидации и желаемым характеристикам материала.

Возможна значительная кастомизация, но для этого требуется пакетный заказ MOQ. Партнерские отношения с поставщиками облегчают разработку приложений.

Информация о переработке титанового порошка

Работа с мелкодисперсным титановым порошком сопряжена с риском возгорания, требующим соблюдения мер безопасности:

• Для хранения и работы с инертным газом используйте перчаточные боксы
• Избегайте хранения больших количеств вблизи источников возгорания
• Электрическое заземление оборудования для отвода статического электричества
• Используйте специальные вакуумные и вентиляционные системы
• Термическая защита реактивных промежуточных продуктов, таких как гидриды
• Строгое соблюдение правил техники безопасности, учитывая реактивность материалов

В следующем разделе рассматриваются экономические аспекты использования титанового порошка, который по-прежнему стоит дороже, чем традиционные формы кованого металла.

Анализ цен на титановый порошок

Продукт	Диапазон цен
Порошок титана класса R&D	$800+ за кг
Промышленный класс	$100+ за кг
Аэрокосмический класс	$200+ за кг
Медицинский класс	$500+ за кг

Экономика производства порошков доминирует над стоимостью готовых деталей по сравнению с добавленной стоимостью материала. Но потенциал легкого веса оправдывает применение в авиации, космосе и гоночных мобилях.

Жесткие требования к химическому составу для сертификации биосовместимости поднимают цены на медицинские товары. Высокое содержание азота делает порошок непригодным для использования в устройствах для имплантации, контактирующих с костью.

Партнерские отношения с поставщиками и квалифицированные соглашения LTA помогают обеспечить наилучшие цены, стабилизируя переменные колебания стоимости титановой губки, контролируемые экспортом.

Сравнение с альтернативами

Титан конкурирует со сталями, алюминиевыми сплавами, магнезией и современными композитами:

Материал	Прочность на разрыв	Плотность	Коррозионная стойкость	Биологическая совместимость	Стоимость
Титан Ti64	Высокая	Свет	Отличный	Отличный	$$$
Нержавеющая сталь 316L	Средний	Heavy	Хороший	Ярмарка	$
Al 6061	Средний	Свет	Бедный	Хороший	$
Сплавы CoCr	Высокая	Heavy	Отличный	Риски токсичности	$$
Mg AZ91	Низкий	Самый легкий	Ярмарка	Хороший	$
ПИК Полимер	Средний	Низкий	Отличный	Биоинертные	$$$

Преимущества титана

• Высочайшее соотношение прочности и веса
• Полная коррозионная стойкость
• Доказанная биосовместимость
• Доступная инфраструктура снабжения

Ограничения титана

• Высокая чувствительность к геометрии конструкции
• Сложное выжигание и дебаффинг
• Работа с реактивными порошками требует контроля
• Относительно дорогая цена на сырье

Понимание этих технических и коммерческих компромиссов помогает определить идеальные области применения, в которых наиболее выгодно использовать порошковую металлургию титана.

Перспективы исследований и разработок

Новые усилия по улучшению качества титанового порошка включают в себя:

Дизайн сплава

• Индивидуальные композиции для дерматологических имплантатов
• Высокоэнтропийные сплавы с экзотическими элементарными смесями

Моделирование

• Прогнозирование микроструктурной эволюции при термообработке
• Определение пределов повторного использования порошка

Процесс AM

• Струйная печать на связующем с последующим микроволновым спеканием
• Гибридное производство, сочетающее в себе холодное распыление и денсификацию

Производство порошка

• Электростатическая сфероидизация без гидрирования
• Дешевые смеси титановых порошков за счет повторного использования

Приложения

• Квалификация прототипов аэрокосмических турбин
• Устройства терморегулирования электроники
• Коробка передач с бесступенчатым регулированием

Резюме

Титан - самый высокопрочный металлический элемент, но его всегда было трудно добывать и изготавливать с помощью традиционных методов литья и механической обработки. Последние достижения в области порошковой металлургии раскрывают потенциал титана для создания легких, высокопрочных печатных деталей, сочетающих в себе коррозионную стойкость и биосовместимость. Соответствие химическому составу в медицинских, аэрокосмических и автомобильных приложениях теперь позволяет создавать инновационные геометрии, которые ранее были невозможны ни технически, ни экономически. Однако риск пирофорной реактивности мелкодисперсного титанового порошка остается экспертным барьером, требующим особой бдительности при изучении возможности его применения. Тесное сотрудничество со специализированными партнерами по производству материалов позволяет использовать весь потенциал титана, снижая при этом эксплуатационные риски.

узнать больше о процессах 3D-печати