Титановый порошок для аддитивного производства

Титановый порошок является важнейшим материалом для печати высокопрочных и легких титановых деталей с использованием таких технологий аддитивного производства, как селективное лазерное плавление (SLM) и электронно-лучевое плавление (EBM). В данном руководстве представлен полный обзор титановых порошков для AM.

Введение в титановый порошок для AM

Титановый порошок позволяет осуществлять 3D-печать титановых деталей с исключительными свойствами:

• Высокое соотношение прочности и массы
• Отличная коррозионная стойкость
• Хорошие высокотемпературные свойства
• Биосовместимость для использования в медицинских целях
• Реактивный и требует контролируемой обработки

Распространенные титановые сплавы для АМ:

• Ti-6Al-4V (Ti64)
• Ti-6Al-7Nb (Ti647)
• Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr (Ti5553)
• Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6-2-4-2)

Основные характеристики порошка:

• Химия и микроструктура
• Размер и распределение частиц
• Форма и морфология частиц
• Чистота
• Текучесть и кажущаяся плотность

Порошок Ti-6Al-4V

Ti-6Al-4V - наиболее распространенный порошок титанового сплава, используемый в АМ:

• Обеспечивает превосходное сочетание прочности, пластичности и коррозионной стойкости
• Прочность может достигать 1300 МПа и выше для АМ-деталей
• Плавится при температуре около 1600°C и требует терморегулирования при печати
• Чувствительны к поглощению кислорода - требуется контролируемая атмосфера

Приложения:

• Аэрокосмические и автомобильные компоненты
• Биомедицинские имплантаты, такие как ортопедические протезы коленного и тазобедренного суставов
• Детали для пищевой и химической промышленности
• Потребительские товары

Поставщики: AP&C, Tekna, Carpenter Additive, Arcam AB

Порошок Ti-6Al-7Nb

Порошок Ti-6Al-7Nb обеспечивает превосходную прочность на разрыв и сопротивление ползучести:

• Высокая прочность до 1500 МПа за счет закалки осаждением
• Хорошая свариваемость
• Используется как альтернатива токсичным ванадиевым сплавам
• Требуется горячее изостатическое прессование (HIP) для минимизации пустот

Приложения:

• Аэрокосмические компоненты, такие как каркасы самолетов и турбины
• Детали для автоспорта, подвергающиеся высоким нагрузкам
• Зубные имплантаты и медицинское протезирование
• Морское применение, например, корабли и гребные винты

Поставщики: AP&C, TLS Technik GmbH, Tekna

Порошок Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr

Порошок Ti-5-5-5-3 обеспечивает отличную прокаливаемость и глубокую закалку:

• Прочность превышает 1400 МПа
• Сохраняет свои свойства при температуре свыше 350°C
• Используется для обработки труднообрабатываемых титановых деталей
• Обеспечивает высокую усталостную прочность и прочность при ползучести

Приложения:

• Шасси и детали конструкции летательных аппаратов
• Компоненты двигателей и шасси Формулы-1
• Диски турбинных двигателей и детали компрессоров
• Авиакосмический крепеж и метизы

Поставщики: AP&C, Carpenter Additive, Arcam AB

Порошок Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo

Порошок Ti-6-2-4-2 обеспечивает превосходную стойкость к эрозии в горячих газах:

• Устойчивость к окислению и коррозии до 600°C
• Отличная прочность до 1300 МПа
• Используется для деталей, подвергающихся воздействию высокотемпературных газов
• Для достижения полной плотности требуется горячее изостатическое прессование

Приложения:

• Лопатки и лопатки авиационных двигателей
• Сопла ракетных двигателей
• Компоненты ракеты, подверженные воздействию потоков горячих газов
• Компоненты ядерных реакторов

Поставщики: AP&C, Tekna, Sandvik Osprey

Титан класса 1 и 2

Нелегированная сталь 1 и 2 класса титановые порошки обеспечивают отличную коррозионную стойкость:

• Высокая чистота с низким содержанием междоузельных элементов
• Отличная биосовместимость
• Низкая прочность по сравнению со сплавами; около 380 МПа
• Используется в химической, морской и потребительской промышленности

Приложения:

• Биомедицинские имплантаты, такие как черепные пластины
• Корпуса и трубы химических реакторов
• Морские компоненты, такие как гребные валы
• Оборудование для пищевой промышленности

Поставщики: AP&C, TLS Technik, Tekna Plasma Systems

Порошки алюминида титана

Из сплавов алюминида титана, например Ti4522, печатают легкие детали:

• Низкая плотность - 3,7 г/см3
• Прочность до 1000 МПа
• Отличная коррозионная стойкость
• Возможность работы при высоких температурах до 750°C
• Сложность обработки из-за быстрого охлаждения и затвердевания

Приложения:

• Детали аэрокосмических компрессоров
• Колеса автомобильных турбокомпрессоров
• Футеровка камеры сгорания
• Ракетные и авиационные конструкции

Поставщики: Kennametal, AP&C, Sandvik

Методы производства титановых порошков

1. Распыление газа

• Инертный газ, используемый для распыления расплавленного металла на мелкие капли
• Сферические порошки, идеальные для АМ, 10-100 мкм
• Высокая чистота, может быть дорогостоящим

2. Плазменное распыление

• Использование плазменного газа для распыления расплавленного металла
• Контролируемые формы и размеры частиц
• Более низкий уровень отбора кислорода по сравнению с распылением газа

3. Гидрид-дегидрид (HDH)

• Измельченный гидрид титана подвергается обезвоживанию
• Неправильные формы, большие размеры частиц
• Более низкая стоимость, может содержать большее количество примесей

Технические характеристики

Типовой титановый порошок спецификации для АМ:

Контроль распределения частиц по размерам, их формы, химического состава и плотности является критически важным.

Обращение и хранение титанового порошка

Для предотвращения окисления и захвата влаги требуется специальное обращение:

• Используйте контейнеры и емкости для перекачки из нержавеющей стали
• Обращаться с порошком только в перчаточных боксах с инертным газом
• Используйте атмосферу аргона высокой чистоты
• Избегать прямого воздействия воздуха и воды
• Заземлить все погрузочно-разгрузочное оборудование
• Поддерживать температуру хранения от -10°C до 30°C
• Замораживание порошкового слоя во время простоя принтера для предотвращения поглощения кислорода

Правильное хранение значительно продлевает срок годности титанового порошка.

Просеивание порошков

Для получения равномерного гранулометрического состава используется просеивание:

Преимущества

• Разбивает агломераты
• Удаление частиц-спутников
• Снижение вероятности возникновения дефектов
• Улучшение текучести и упаковки порошка

Процедура

• Просеять порошок через мелкую сетку с размером ячейки около 20 микрон
• Использование ротационного или вибрационного просеивания
• Выполнение в инертном защитном газе
• Процент остаточной массы порошка по документу

Высококачественный исходный порошок в сочетании с просеиванием позволяет свести к минимуму дефекты готовых деталей.

Поставщики и ценообразование

• Стоимость нелегированных порошков 1-го и 2-го классов ~$150-250/кг
• Стоимость Ti-6Al-4V и Ti-6Al-7Nb ~$250-450/кг
• Стоимость специальных сплавов $500-650/кг

Цены зависят от объема заказа, уровня качества, микроструктуры и морфологии.

Установка и ввод в эксплуатацию принтера

Установка титанового AM-принтера требует:

• Тщательная очистка и проверка на герметичность
• Проверка чистоты аргоновых систем
• Загрузка и тестирование системы обработки порошка
• Калибровка и выравнивание плиты сборки
• Интеграция чиллера, газоснабжения, просеивающей станции
• Программирование параметров процесса
• Печать тестовых деталей для проверки качества

Поставщики предоставляют поддержку при установке, чтобы обеспечить идеальную настройку оборудования.

Лучшие практики печати

Работа принтера:

• Поддержание высокого уровня чистоты аргона
• Тщательный контроль состояния расплава и его теплового режима
• Валидация всех критических измерений
• Регулярная замена фильтров и расходных материалов
• Контроль уровня использования порошка для повторного применения

Безопасность персонала:

• При работе с порошком используйте СИЗ, например, респираторы
• Избегайте контакта с мелкодисперсным титановым порошком
• Правильная утилизация использованного титанового порошка

Часть постобработки:

• Осторожно снимите опоры с хрупких деталей
• Термообработка с учетом особенностей сплава и применения
• Горячее изостатическое прессование для повышения плотности
• Обработка на станках с ЧПУ и, при необходимости, финишная обработка

Для получения бездефектных печатных деталей из титановых сплавов очень важно соблюдать рекомендованные производителем процедуры.

Техническое обслуживание и проверка

Требуется регулярное техническое обслуживание:

Ежедневно:

• Осмотр оптики на предмет повреждений и отложений
• Контроль уровня аргона и датчиков кислорода
• Проверка уплотнений и датчиков системы обработки порошка
• Очистка рабочей камеры и сита от остатков порошка

Еженедельно:

• Калибровка приборов и датчиков
• Смазка и осмотр движущихся частей
• Проверьте электрические клеммы и заземление

Ежемесячно:

• Проведение испытаний на герметичность аргоновой системы
• Осмотр устройств безопасности и сигнализации
• Проверить состояние фильтра и при необходимости заменить его
• Мониторинг общего состояния системы

Ежегодно:

• Планирование профилактического обслуживания
• Замена расходных материалов и оптики
• Проверка и модернизация аппаратного обеспечения

Проактивное техническое обслуживание повышает надежность и срок службы оборудования.

Выбор системы титановой печати

Основные критерии выбора системы титановой 3D-печати:

1. Требования к производству

• Типы деталей, подлежащих изготовлению
• Марка материала в зависимости от необходимых свойств
• Необходимые объемы производства
• Требования к точности и качеству обработки поверхности

2. Технические характеристики принтера

• Поддержка и оптимизация сплавов
• Скорость сборки, точность и повторяемость
• Контроль и локализация инертных газов
• Особенности автоматизации
• Размер и вместимость

3. Система транспортировки порошка

• Интегрированные или автономные
• Возможности просеивания, хранения и повторного использования
• Контроль содержания кислорода и влаги
• Простота эксплуатации и локализации

4. Соответствие стандартам

• Отраслевые стандарты, такие как ASTM F2924
• Сертификаты качества производителя
• Соответствие стандартам CE, FCC

5. Удостоверения поставщика

• Специализированный опыт в области титановых АМ
• Местная инженерная поддержка приложений
• Предлагается обучение операторов
• Договоры на техническое обслуживание и сервисные услуги

Оценка вариантов с учетом этих факторов позволяет выбрать идеальную систему аддитивного производства титана, отвечающую производственным потребностям.

Плюсы и минусы титана AM

Преимущества

• Отличное соотношение прочности и массы
• Коррозионная стойкость, биосовместимость
• Уменьшение количества деталей, повышение производительности
• Быстрая обработка сложных геометрических форм
• Индивидуальные разработки и серийное производство
• Снижение количества брака по сравнению с механической обработкой
• Консолидация сборок в одну деталь

Недостатки

• Высокая стоимость материалов и оборудования
• Дополнительные этапы постобработки
• Ограничения на максимальный размер детали
• Контроль внутренних дефектов может быть сложной задачей
• Свойства материала могут отличаться от свойств деформируемого
• Требуется специальная экспертиза

Устранение проблем с Titanium AM

Вопросы и ответы

Вопрос: Как безопасно обращаться с реактивным титановым порошком?

О: Использование перчаточных ящиков и бункеров для инертных газов, исключение воздействия воздуха и поддержание надлежащего уровня аргона в процессе печати.

Вопрос: Какой размер частиц используется для порошка титана AM?

О: Обычно 10-45 мкм, с более жестким контролем в районе распределения 20-45 мкм.

Вопрос: Какие методы постобработки используются?

A: Снятие опор, термообработка, горячее изостатическое прессование, финишная обработка/полировка.

Вопрос: Какие загрязнения влияют на повторное использование титанового порошка?

О: Кислород, азот, водород и углерод снижают срок повторного использования. Требуются строгие процедуры обращения.

Вопрос: Сколько раз можно повторно использовать титановый порошок?

О: Обычно 20-100 отпечатков в зависимости от сплава, условий обработки и хранения. Титан класса 23 обеспечивает лучшее повторное использование, чем класс 5.

Вопрос: Какая температура используется для термообработки титановых АМ-деталей?

О: Обработка раствором производится на 50-100°C ниже температуры бета-трансуз, затем следует выдержка и охлаждение воздухом/печью.

Вопрос: Какие стандарты применяются к титановому АМ-порошку?

A: ASTM B801, ASTM F2924, ASTM F3001, ISO 23304 (в разработке).

Вопрос: Для чего используется горячее изостатическое прессование?

О: HIP способствует закрытию внутренних пустот, достижению более высокой плотности и улучшению механических свойств.

Заключение

Титановый порошок позволяет печатать высокопрочные и легкие титановые детали для современных аэрокосмических, медицинских, автомобильных и промышленных применений с использованием таких технологий AM, как SLM и EBM. Благодаря свойствам, превосходящим свойства обычного титана, можно быстро и эффективно изготавливать детали сложной геометрии. Однако для получения бездефектных результатов необходимы реактивная обработка порошка, контролируемые параметры процесса, обученные операторы и процедуры квалификации деталей. По мере накопления опыта АМ с использованием титанового порошка открывает беспрецедентные возможности для изготовления индивидуальных высокопроизводительных титановых деталей при сокращении сроков изготовления.

узнать больше о процессах 3D-печати