Pulver för 3D-utskrift av titan

Översikt

Titan är en stark och lätt konstruktionsmetall som används i stor utsträckning vid additiv tillverkning inom flyg-, medicin-, fordons- och industrisektorerna. Pulver av titanlegeringar som Ti-6Al-4V gör det möjligt att 3D-printa komplexa delar som ger hög hållfasthet tillsammans med korrosionsbeständighet och biokompatibilitet.

Selektiv lasersmältning (SLM) och elektronstrålesmältning (EBM) kan bearbeta fint titanpulver till helt täta komponenter med invecklad design som inte är möjlig genom maskinbearbetning eller gjutning. Denna guide omfattar Ti-legeringskompositioner, egenskapsdata, applikationer, skrivarparametrar och leverantörer för att utnyttja fördelarna med 3D-utskrift av metall.

Sammansättning av tryckpulver av titan

Titanlegeringar består främst av titan med andra legeringselement som aluminium, vanadin, järn, molybden med mera för att förbättra specifika egenskaper. De vanligaste titankvaliteterna för AM inkluderar:

• Ti-6Al-4V (Grade 5) är den mest populära titanlegeringen, vars styrka kommer från +Al-stabilisering och +V-utskiljningshärdning. En variant med extra låg interstitial (ELI) har hög duktilitet.
• Legeringen Ti 6242 ersätter en del vanadin för att göra den mer lämplig för biokompatibla ortopediska implantat som kräver osseointegration.
• Spårämnen som järn, syre, kväve och kol minimeras eftersom de påverkar de mekaniska egenskaperna negativt om de förekommer utanför angivna gränser.

Egenskaper hos tryckpulver av metall och titan

Viktiga materialegenskaper som gör titanlegeringar attraktiva för flygplan och medicintekniska produkter är bl.a:

• Hög hållfasthet i förhållande till låg densitet (hälften av stål) gör titankomponenter lättare. Hållfastheten överträffar vanliga aluminiumlegeringar samtidigt som korrosionsproblem undviks.
• Tillräckligt segt för kallformning. Extra låga interstitiella varianter som Ti64 ELI ökar töjningen ytterligare.
• Smältpunkt över 1600°C. Behåller sina egenskaper vid 400-500°C.
• Termiska och elektriska ledningsförmågor är ganska låga för att undvika gnistor och isolera värme.

Tillämpningar av 3D-tryckta titandelar av metall

Flyg- och rymdindustrin

• Strukturella flygplansskrovfästen, ribbor, impellrar och beslag
• Lättare turboladdarhus och värmeväxlare
• Konforma kylkanaler integrerade i turbinsektioner för jetmotorer
• Anpassade UAV/drone-ramar som överensstämmer med komponenterna

Sjukvård och tandvård

• Ortopediska knä-, höft-, ryggrads- och käkimplantat som acetabulära skålar
• Dentala distanser för kronor och broar
• Skräddarsydda plattor för kraniell rekonstruktion som är specifika för patientens anatomi

Fordon

• Motorhusfästen och upphängningskomponenter
• Conformal close-contour cooling integrerad i formsprutningsverktyg
• Lätta bromsskivrotorer med intrikata luftflödesgeometrier

Processparametrar för 3D-utskrift av titan

Viktiga parametrar vid användning av titanpulvermaterial i pulverbäddsfusionsprocesser:

LPBF-inställningar

EBM-inställningar

LPBF kräver stödstrukturer medan EBM bygger metall utan hjälp. ≥99%-densitet uppnås efter spänningsavlastning och varm isostatisk pressning. Minsta väggtjocklek är normalt 100-150 mikrometer.

Leverantörer av tryckpulver av titan

Ledande metalltillverkningsföretag har certifierat titanpulver för additiva processer:

Kostnad för tryckpulver av titan

Som en avancerad lättviktslegering för högpresterande applikationer är titanpulver mycket prisvärt:

• Materialpriserna varierar från $200 till $500 per kg
• Kundanpassade legeringar med snävare partikelstorlekar och hög renhet ökar kostnaderna ytterligare
• Återvunnet pulver är billigare och ger god flytbarhet

Efterbearbetning för 3D-printade delar i titan

Efter tryckning genomgår titankomponenterna:

Borttagning av stöd - Separera försiktigt stöd med EDM-skärning där det är möjligt, bryt bort mindre delar

Stresslindring - Värmebehandla hela byggplattan försiktigt till 650°C i 2 timmar i argon för att minska restspänningar

Isostatisk varmpressning - HIP-process vid 920°C och 100 MPa i 3 timmar för att sluta inre hålrum >99% densitet

Lösning Behandling - Blötläggning vid 705°C i 1 timme, därefter luft/vatten-släckning för att utveckla önskad mikrostruktur

Maskinbearbetning - CNC-fräsning av kritiska anslutningsytor för att uppfylla kraven på dimensionstolerans

Blästring + syraetsning - Slipning med aluminiumoxid följt av syraetsning för att rengöra ytor

Kvalitetstestning - Bekräfta att kemi, mikrostruktur, skikt-för-skikt-kvalitet och mekaniska egenskaper uppfyller specifikationerna

Standarder för 3D-utskrift av titan

Framtidsutsikter för pulverbäddsutskrift med titan

Medan flygindustrin driver 70% av efterfrågan för närvarande tack vare betydande delkonsolidering och viktbesparande fördelar, kommer titan AM-antagandet att accelerera inom bilindustrin, sportartiklar och fler konsumentsektorer när kostnaderna sjunker. Fler Ti tryckta applikationer inkluderar:

Flyg- och rymdindustrin - Större och helt tryckta primära strukturer som turbinblad och framtida passagerarkabiner, som utnyttjar styrkor i designkomplexitet, konsolidering av delmontering och korrosionsbeständighet.