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:

Элемент	Вес %	Роль
Титан (Ti)	Баланс, ~90%	Коррозионная стойкость, биосовместимость
Алюминий (Al)	5.5-6.75%	Упрочнитель твердых растворов
Ванадий (V)	3.5-4.5%	Фазовый стабилизатор
Железо (Fe)	<0,3%	Загрязнитель
Кислород (O)	<0,2%	Загрязнитель

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:

Шаги	Подробности
Литье в чугун	Слиток, отлитый методом тройной дуговой плавки, с жестким контролем химического состава
Переплавка	Дополнительная очистка VAR или ESR для критически важных применений
Газовая атомизация	Взрывная волна инертного газа аргона под высоким давлением образует мелкие капли
Просеивание	Несколько ступеней классификации в соответствии со стандартами распределения частиц по размерам (PSD)
Кондиционирование	Высыхание, смешивание, добавки к потоку
Окончательное тестирование	PSD, скорость потока Холла, химические анализы, SEM-изображения
Упаковка	Влагонепроницаемые баллоны или бутылки с аргоновым наполнителем

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:

Параметр	Типовые значения
Химия по программе AMS 4928	Таблица выше
Распределение частиц по размерам	D10 20 мкм, D50 35 мкм, D90 50 мкм
Морфология	Преимущественно сферические + спутники
Кажущаяся плотность	2,7 - 3,2 г/куб. см
Плотность отвода	3,2 - 4,0 г/куб. см
Расход	30 - 35 секунд для 50 г, воронка Холла
Анализ кислорода на поверхности	< 2000 ppm
Примеси	Fe < 3000 ppm, H < 100 ppm

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:

Продукт	Количество	Диапазон цен
Порошок Ti-64 R&D	0,5 кг	$500+
Порошок для прототипирования Ti-64	10 кг	$150+ за кг
Порошок для производства Ti-64	1000+ кг	$50+ за кг

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:

Сплав	Прочность	Пластичность	Устойчивость к окислению	Стоимость
Ti-64 (Ti-6Al-4V)	Очень высокий	Средний	Средний	$$$
Ti-5553 (Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr)	Очень высокий	Средний	Лучше	$$$
Ti-1023 (Ti-10V-2Fe-3Al)	Высокая	Выше	Хороший	$$
Ti-48Al-2Cr-2Nb (Ti4822)	Средний	Хрупкое	Лучшее	$$$$

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