Титан Ti-64 для 3D-печати металла

Титан ti-64 для 3d-печати металла, сокращенно Ti-64, является титановым сплавом аэрокосмического класса, широко используемым для критических применений аддитивного производства в аэрокосмической, медицинской, автомобильной и общей технике. В данном руководстве представлен технический обзор порошковой металлургии Ti-64, включая состав, данные о механических свойствах, подробности AM-обработки, последующей обработки, области применения, анализ затрат, спецификации продукции и сравнение с другими марками титана.

Обзор титана ti-64 для 3d-печати металла

Титановый сплав Ti-6Al-4V (Grade 5) обеспечивает оптимальный баланс прочности, вязкости разрушения и коррозионной стойкости в сочетании с доказанной биосовместимостью, что делает его самым распространенным материалом для критически важных металлических компонентов 3D-печати в различных отраслях промышленности.

По мере того как АМ переходит от создания прототипов к серийному производству готовых к полетам аэрокосмических компонентов и имплантатов для пациентов, Ti-64 стал эталонным порошком, с которым сравнивают новые материалы.

Он предлагает:

• Отличное соотношение прочности и массы
• Высокая твердость и вязкость разрушения до 550 МПа
• Пластичность для сложных геометрических форм
• Биосовместимость и нетоксичность
• Проверенная родословная, насчитывающая десятилетия
• Доступная цепочка поставок и экономическая эффективность

Продолжайте читать, чтобы получить подробную техническую информацию о методах порошковой металлургии для изготовления 3D-печатных деталей из титана Ti-64.

Состав и конструкция сплава

Титановый сплав Ti-64 состоит преимущественно из титана с добавками алюминия и ванадия:

Содержание таких микроэлементов, как углерод, азот и водород, сведено к минимуму, поскольку они ухудшают механические свойства. Концентрация железа и кислорода также поддерживается на низком уровне.

Алюминий стабилизирует альфа-фазу, а ванадий при соответствующей термической обработке образует укрепляющие бета-преципитаты. Такое двухфазное борирование обеспечивает превосходные эксплуатационные характеристики.

Основные свойства Ti-64

• Прочность на разрыв: 880 МПа
• Прочность на разрыв: 950 МПа
• Удлинение: 14%
• Твердость: 350 Бринелль
• Предел усталости: 500 МПа
• Вязкость разрушения: 75 МПа√м
• Прочность на сдвиг: 690 МПа
• Модуль Юнга: 115 ГПа
• Плотность 4,43 г/куб. см
• Температура плавления: 1604°C

Эти свойства сильно зависят от правильной термообработки, о которой речь пойдет ниже. Значения также немного различаются между процессами AM с подачей проволоки и порошковым слоем, что требует корректировки параметров.

Титан ti-64 для 3d-печати металла Производство

Медицинские и аэрокосмические приложения требуют жесткого контроля для достижения бездефектного изготовления, поэтому производство порошков соответствует строгим спецификациям:

Основные характеристики:

• Сферическая морфология частиц с небольшим количеством спутников
• Текучий порошок без комков и налета
• Контролируемая полоса PSD с распределением в диапазоне от 15 до 45 микрон
• Химические составы, соответствующие стандартам ASTM F2924 и F3001
• Последовательные партии с данными о повторяемости при больших объемах производства
• Документирование прослеживаемости исходных отливок слитков

Такой строгий контроль производства обеспечивает надежные бездефектные отпечатки после подтвержденных настроек параметров машины.

Применение титана ti-64 для 3d-печати металла

Биосовместимость сплава и высокое соотношение прочности и веса позволяют использовать его во многих критических областях:

Аэрокосмическая промышленность

• Конструктивные кронштейны, переборки и детали шасси
• Лопатки и рабочие колеса турбин
• Компоненты интерьера самолетов

Медицина и стоматология

• Ортопедические имплантаты, такие как коленные, тазобедренные суставы и спинные кейджи
• Зубные абатменты и мосты
• Хирургические инструменты, требующие стерилизации

Автомобильная промышленность

• Облегченные поршни, шатун
• Компоненты роскошных и гоночных автомобилей, включая клапаны

Химическая обработка

• Коррозионностойкие детали для работы с жидкостями, такие как трубы, клапаны
• Фильтры и корпуса, соответствующие требованиям пищевой/фармацевтической промышленности

3D-печать Ti-64 также находит все большее применение в таких дорогостоящих отраслях, как робототехника, спортивные товары и терморегулирование электроники, используя свободу проектирования.

Далее мы углубимся в популярные технологии порошкового наплавления, используемые для обработки порошка этого универсального сплава для производства критически важных готовых деталей.

3D-печать по металлу с использованием порошка титана Ti-64

Как лазерная, так и электронно-лучевая технологии порошкового слоя послойно сплавляют Ti-64 с полной плотностью на рабочей пластине:

Лазерное порошковое напыление (L-PBF)

• Селективное лазерное плавление (SLM) и прямое лазерное спекание металлов (DMLS)
• Сфокусированные волоконные лазеры высокой мощности Yb или Nd:YAG
• Инертная аргоновая атмосфера с уровнем кислорода менее 500 ppm
• Оптический мониторинг талых бассейнов в режиме реального времени

Электронно-лучевой порошковый синтез (E-PBF)

• Мощный пучок электронов от 60 до 150 кВ в вакууме
• Скорость сканирования сверхбыстрым лучом более 25 000 мм/с
• Высокая производительность при работе с мелкими деталями
• Глубокое проникновение легче сваривает титан

Для больших деталей методы направленного осаждения энергии (DED) позволяют добавлять материал поверх базовых структур. Несколько подходов AM позволяют оптимизировать механические свойства и качество обработки поверхности.

Преимущества

• Сложные геометрические формы, не поддающиеся литью или механической обработке
• Сокращение времени изготовления и снижение затрат по сравнению с субтрактивными этапами
• Минимальные потери материалов и соотношение между покупкой и полетом, превышающее 90%
• Последовательные результаты при длительном строительстве после настройки
• Свобода дизайна позволяет повысить производительность

Однако для того, чтобы воспользоваться этими преимуществами, необходима тщательная предварительная и последующая обработка.

Этапы предварительной и последующей обработки

Достижение бездефектных сборок предполагает использование интегрированных протоколов:

Предварительная обработка

• Тестовые матрицы для оптимизации параметров на специализированных машинах
• Контроль состояния порошка и повторное использование коэффициентов смешивания
• Первоначальная термообработка для обеспечения однородных характеристик частиц
• Тщательное размещение и ориентация деталей на сборочной плите

Постобработка

• Снятие деталей с пластины с помощью проволочно-вырезного станка / ленточной пилы
• Широкие возможности последующей обработки и доводки
• Горячее изостатическое прессование (HIP) для устранения внутренних пустот
• Растворение, старение и стабилизирующая термообработка
• Окончательное тестирование для обеспечения качества

Такой комплексный контроль обработки позволяет использовать весь потенциал аддитивного производства с использованием Ti-64, не полагаясь только на принтеры.

Технические характеристики

Партии сплава Ti-64 для медицинских или аэрокосмических целей требуют сертификации:

Возможно просеивание на более узкие полосы, но это увеличивает стоимость. Соответствие параметров машины AM клиента и утвержденные проверки качества обеспечивают повторяемость характеристик при выполнении всех производственных заданий.

Титан ti-64 для 3d-печати металла Анализ доступности и стоимости

Аэрокосмическая марка Ti-6Al-4V имеет более высокую стоимость по сравнению со стандартными марками титана благодаря специализированной плавке, строгому контролю качества и разработке формы порошка:

Стоимость остается на более высоком уровне, но продолжает улучшаться по мере того, как в AM увеличивается использование сплава Ti-64, что позволяет оптимизировать производство с учетом масштаба. Небольшие образцы для исследований и разработок теперь можно приобрести без MOQ, но для производства требуется прогноз заказа.

Сравнение Ti-64 с другими титановыми сплавами

Хотя Ti-64 получил самое широкое распространение, другие марки теперь соперничают с ним в качестве альтернативных вариантов AM:

Основные преимущества традиционного Ti-64:

• Проверенные материалы за 30 с лишним лет
• Более гладкие поверхности при сборке в AM
• Установленные протоколы термообработки
• Данные о допусках для проектной квалификации
• Легкодоступные и конкурентоспособные поставки

Ограничения Ti-64:

• Не самый высокопрочный титан
• Восприимчивость к термическому окислению без контроля
• Требуется интенсивное горячее изостатическое прессование (HIP)

Таким образом, каждый из описанных компромиссов помогает выбрать оптимальные марки в соответствии с требованиями приложения.

Резюме

Аддитивное производство предоставляет инженерам беспрецедентные возможности для разработки высокоэффективных компонентов из титана Ti-64, не имеющих аналогов в традиционных технологиях. Сочетая новые цифровые возможности с обширными данными о материалах, проверенными за 30 с лишним лет применения в аэрокосмической промышленности и медицине, инженеры могут создавать новые инновационные геометрии, напечатанные в 3D, используя преимущества Ti-64, и снижая риск квалификации. Однако для полного раскрытия потенциала этого универсального высокопрочного сплава по-прежнему необходим тщательный контроль при изготовлении порошка, хранении, обработке металлов методом AM и последующей обработке.

узнать больше о процессах 3D-печати