Pulver av titanlegeringar: Egenskaper, produktion och tillämpningar

Pulver av titanlegeringar är avancerade tekniska material som värderas för sitt höga förhållande mellan styrka och vikt, korrosionsbeständighet och biokompatibilitet. Den här artikeln ger en översikt över titanlegeringspulvermetallurgi, tillverkningsmetoder, sammansättningar, mekaniska egenskaper, användningsområden inom olika branscher och leverantörslandskap.

Översikt över titanlegeringspulver

Titanlegeringspulver består av titan blandat med andra metalliska element som aluminium, vanadin, järn och molybden. Pulvret framställs genom gasatomisering och andra metoder till fina sfäriska partiklar.

Dessa avancerade pulver används för att tillverka högpresterande komponenter med pulvermetallurgiska tekniker som formsprutning av metall, additiv tillverkning och het isostatisk pressning. Delar som tillverkas av titanlegeringspulver uppvisar överlägsna mekaniska egenskaper jämfört med dem som tillverkas av olegerat titan.

De unika egenskaperna med hög hållfasthet, låg densitet, korrosionsbeständighet och biokompatibilitet gör titanlegeringspulver lämpliga för flyg-, medicin-, fordons-, kemi- och konsumenttillämpningar.

Fördelar med titanlegeringspulver:

• Högt förhållande mellan styrka och vikt
• Utmärkt korrosionsbeständighet
• Bioinert och biokompatibel
• Möjlighet att skräddarsy egenskaper genom kompositioner
• Nätformad tillverkningsbarhet i komponenter
• Kostnadsbesparingar genom pulvermetallurgi

Utmaningar med titanlegeringspulver:

• Hög materialkostnad
• Reaktivitetsfrågor under hantering och bearbetning
• Begränsningar i uppnåeliga egenskaper
• Krav på kontrollerade atmosfärer
• Lägre duktilitet än konkurrerande legeringar

Sammansättningar av Pulver av titanlegering

Titanlegeringar klassificeras i kategorierna alfa, alfa-beta och beta beroende på den mikrostruktur de bildar efter bearbetning. Legeringselementen, deras koncentrationer och termomekaniska behandlingar bestämmer de mikrostrukturella faserna.

Vanliga legeringselement i titanlegeringspulver:

• Aluminium (Al)
• Vanadin (V)
• Järn (Fe)
• Molybden (Mo)
• Tenn (Sn)
• Zirkonium (Zr)
• Niob (Nb)

Effekter av legeringselement:

• Aluminium (Al) - Förbättrar hållfastheten och minskar densiteten
• Vanadin (V) - Stärker alfa- och betafaserna
• Järn (Fe) - ökar hållfastheten och formbarheten
• Molybden (Mo) - Förstärker legeringen upp till 500°C
• Tenn (Sn) - Förbättrar krypmotståndet
• Zirkonium (Zr) - Kornförädling
• Niob (Nb) - förhindrar bildning av alfa-fall

Vanliga pulversammansättningar av titanlegeringar:

Legering	Viktiga element	Faser	Fastigheter
Ti-6Al-4V (klass 5)	Al: 6%, V: 4%	Alfa + beta	Utmärkt hållfasthet, måttlig duktilitet, värmebehandlingsbar, den mest använda legeringen
Ti-6Al-7Nb	Al: 6%, Nb: 7%	Nära alfa	Hög draghållfasthet, bioinert, används i medicinska implantat
Ti-10V-2Fe-3Al	V: 10%, Fe: 2%, Al: 3%	Beta	Titanlegering med högsta hållfasthet, låg duktilitet, svårbearbetad
Ti-13V-11Cr-3Al	V: 13%, Cr: 11 %, Al: 3	Alfa + beta	Utmärkt varmhårdhet och krypbeständighet upp till 400°C

Effekter av sammansättning på egenskaper:

• Ökad Al-halt ökar draghållfastheten och minskar densiteten
• Tillsats av V, Mo, Cr förbättrar hållfastheten vid höga temperaturer
• Fe-tillsats ökar draghållfastheten vid rumstemperatur
• Sn förbättrar legeringens krypmotstånd
• Zr och Nb hjälper till att kontrollera kornstrukturen

Produktionsmetoder för titanlegeringspulver

Pulver av titanlegeringar tillverkas genom avancerade metoder som genererar fina sfäriska pulver från de smälta legeringarna. De vanligaste produktionsteknikerna inkluderar gasatomisering, plasma-roterande elektrodprocess (PREP) och plasmaatomisering.

Atomisering av gas

• Högtrycksstrålar med inert gas sönderdelar smält metallström till fina droppar
• Genererar pulver mellan 10 mikrometer och 250 mikrometer
• Den mest använda och ekonomiska metoden
• Pulvren har oregelbundna former och innehåller satelliter

Process med roterande elektrod och plasma (PREP)

• Snurrande elektrod sönderdelar legering med hjälp av plasmabrännare
• Genererar mycket sfäriska och släta pulver
• Utmärkt kontroll över pulverstorlekar och distribution
• Används för reaktiva legeringar och legeringar med hög smältpunkt

Plasmaatomisering

• Elektrisk båge eller plasma värmer upp och finfördelar legeringen till droppar
• Producerar mycket sfäriska pulver med god flytbarhet
• Lämplig för små tillverkningssatser av fina pulver under 63 mikron

Sekundär bearbetning

De atomiserade pulvren genomgår sekundär behandling för att förbättra pulveregenskaperna:

• Siktning till fina partikelstorleksfördelningar
• Konditionering för att avlägsna satelliter och minimera agglomerering
• Blandning av pulver av grundämnen eller masterlegeringar för att uppnå önskade sammansättningar

Överväganden om hantering

• Pulver av titanlegeringar är pyroforiska (brandfarliga) och kräver kontrollerade miljöer med syre- och fuktnivåer under 50 ppm under lagring, bearbetning och hantering. Argon används vanligen som inert täckgas.

Mekaniska egenskaper hos titanlegeringspulver

Draghållfasthetsegenskaper

Titanlegeringar uppvisar högre draghållfasthetsegenskaper jämfört med olegerat titan, beroende på deras sammansättning och bearbetningshistoria.

Legering	Slutlig draghållfasthet (MPa)	Sträckgräns (MPa)	Förlängning (%)
CP Titan klass 1	240-550	170-480	20-25
Ti-6Al-4V ELI klass 23	860-965	795-875	10-15
Ti-6Al-7Nb klass 26	900-1000	825-900	15-20
Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn klass 18	900-1000	800-900	8-14

Effekter av legeringselement:

• Aluminium förbättrar hållfastheten genom solid lösningsförstärkning
• Tillsatser av V, Mo, Nb, Ta ökar hållfastheten vid höga temperaturer
• Järn förbättrar draghållfastheten vid rumstemperatur

Egenskaper för utmattning och brott

Utmattningshållfastheten och brottsegheten minskar med högre koncentrationer av betastabilisatorer som molybden och vanadin. Termomekaniska behandlingar kan användas för att optimera kombinationen av hållfasthet, duktilitet, utmattnings- och brottegenskaper.

Industriella tillämpningar av Pulver av titanlegering

Titanlegeringarnas utmärkta hållfasthet, korrosionsbeständighet, hårdhet och biokompatibilitet gör dem lämpliga för kritiska tillämpningar i alla branscher.

Flyg- och rymdindustrin

• Hydraulsystem för flygplan
• Tank för rymdfarkostens drivmedel
• Komponenter till flygplansskrov och landningsställ
• Motordelar som kompressorblad, skivor och höljen

Medicin- och tandvårdsindustrin

• Ortopediska implantat som höftleder, benplattor och skruvar
• Kirurgiska instrument och bioimplantat
• Ortodontiska bågar
• Tandimplantat

Fordonsindustrin

• Kopplingsstavar, insugningsventiler, ventilfjäderhållare
• Motorcykel- och racingkomponenter
• Delar till avgassystem

Kemisk industri

• Värmeväxlare, kondensorer och rörledningar
• Processutrustning för korrosionsbeständighet
• Avsaltning och utrustning för föroreningsbekämpning

Konsumentindustri

• Klockor och smycken
• Sportutrustning som cykelramar, golfklubbor, lacrosseklubbor
• Glasögonbågar, kroppspiercingar och ringar

Andra tillämpningar

• Marin – Propellrar, sonarkupoler, avsaltningsanläggningar
• Kraftgenerering - Komponenter till ång- och gasturbiner
• Arkitektur – Dekorativa fasadpaneler, räcken, tak

Det utmärkta förhållandet mellan styrka och vikt gör också titanlegeringar lämpliga för att ersätta stål- och aluminiumkomponenter inom alla branscher.

Specifikationer och standarder

Pulver av titanlegeringar produceras enligt ASTM-standarder som definierar de acceptabla nivåerna av syre, kväve, kol och järn för olika kvaliteter.

Standard	Omfattning
ASTM B348	Specifikation för stång och billets av titan och titanlegeringar
ASTM B939	Testmetoder för pulver av titanlegeringar
ASTM F67	Specifikation för olegerade titanstänger för kirurgiska implantat
ASTM F1472	Specifikation för smidd titan 6Al-4V ELI för kirurgiska implantat

Leverantörer av pulver av titanlegeringar

Pulver av titanlegeringar levereras av specialiserade metallpulverproducenter som tillverkar olika kvaliteter skräddarsydda för industriella tillämpningar.

Viktiga tillverkare av titanlegeringspulver:

Företag	Produktionskapacitet	Legeringar
AMETEK	5.000 ton per år	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-13V-11Cr-3Al
AP&C	7.500 ton per år	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-555, Ti-1023
Tekna	3.500 ton per år	Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-7Nb
Carpenter Technologies	3.000 ton per år	Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al
Praxair	4.000 ton per år	CP Ti, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb

Viktiga distributörer av titanlegeringspulver:

• Atlantic Equipment Engineers
• Micron Metals
• TLS Teknik
• Global Titanium

Kostnadsanalys

Pulver av titanlegeringar varierar mellan $$$/kg till $$$$/kg beroende på sammansättning, produktionsmetod, form, storleksfördelning, kvalitet, ordervolym och geografisk region.

Pulver som tillverkas med vakuumbaserade metoder (plasmaatomisering, PREP) kostar i allmänhet mer än pulver som atomiseras med inert gas. Fina pulver av medicinsk kvalitet under 45 mikrometer är dyrare.

Möjligheter till kostnadsbesparingar:

• Använd billigare Ti-6Al-4V istället för premiumlegeringar
• Byt ut titan mot rostfritt stål eller aluminiumlegeringar
• Använd additiv tillverkning jämfört med CNC-bearbetning
• Köp i stora volymer för att utnyttja kvantitetsrabatter

Jämförelse mellan olika titankvaliteter

Legeringar Ti-6Al-4V vs. Ti-6Al-7Nb:

Fastighet	Ti-6Al-4V	Ti-6Al-7Nb
Draghållfasthet	895 MPa	980 MPa
Sträckgräns	825 MPa	900 MPa
Täthet	4,43 g/cc	4,52 g/cc
Bio-tröghet	Måttlig	Hög
Kostnad	Lägre	Högre

Ti-6Al-4V vs. CP Titan klass 1:

• Ti-6Al-4V har 2X högre drag- och sträckgräns
• CP Grade 1 erbjuder bättre duktilitet – 25% töjning jämfört med 10-15%
• Ti-6Al-4V är 45 % starkare i vikt än CP-titan
• CP-titan är mer formbart och lättare att bearbeta än legeringen

Atomiseringsmetoder med gas respektive plasma:

Fastighet	Atomisering av gas	Plasmaatomisering
Partikelns form	Oregelbunden med satelliter	Mycket sfärisk
Syrepickup	Måttlig	Lägre syrgasnivåer
Kostnad	Lägre	Högre
Produktivitet	Högre	Lägre

Bearbetningsmetoder för Pulver av titanlegering

De tre huvudsakliga pulverbearbetningsvägarna för tillverkning av titankomponenter är

Formsprutning av metall (MIM)

• Högvolymsproduktion av små, komplexa delar
• Kombination av formsprutning av plast och sintring av metallpulver
• Utmärkt måttnoggrannhet och ytfinhet
• Flyg- och rymdtillämpningar samt medicinska tillämpningar

Additiv tillverkning (AM)

• Direkt 3D-utskrift av komponenter från CAD-data
• Designfrihet för komplexa lättviktsgeometrier
• Titanlegeringar som Ti-6Al-4V används ofta
• Används inom många olika branscher; medicin, flyg, fordon

Het isostatisk pressning (HIP)

• Konsolidering av inkapslade pulver med hjälp av värme och isostatiskt tryck
• Uppnår höga densiteter i komplexa former
• Låg kostnad jämfört med maskinbearbetning av solid metall
• Används för komponenter till flygplan och medicinteknik

Vanliga frågor

Vilka är de olika kvaliteterna av titanlegeringspulver?

De vanligaste titanlegeringsgraderna är Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-10V-2Fe-3Al och Ti-13V-11Cr-3Al. Siffran anger sammansättningen, t.ex. innehåller Ti-6Al-4V 6% aluminium och 4% vanadin.

Varför är Ti-6Al-4V den mest populära titanlegeringen?

Ti-6Al-4V erbjuder den bästa kombinationen av låg vikt, korrosionsbeständighet, enkel tillverkning och kostnad. Det har utmärkt hållfasthet i alfa + beta-tillstånd och kan värmebehandlas ytterligare. Det står för över 50% av all titananvändning.

Vilka partikelstorlekar finns tillgängliga för pulver av titanlegeringar?

Pulver av titanlegeringar för additiv tillverkning varierar från 15 till 45 mikrometer. Finare pulver under 25 mikrometer ger högre upplösning men är dyrare. För MIM-tillämpningar föredras större pulverstorlekar mellan 45 och 250 mikrometer.

Vad är det som gör att titanpulver fattar eld?

Titanpulver har hög affinitet för syre och kan självantända om de utsätts för luft. Den pyroforiska karaktären kräver inerta gasmiljöer under hantering, lagring och bearbetning. Även fukt och oljerester kan starta bränder.

Varför är titanlegeringspulver dyrt?

Produktion av titanlegeringspulver innebär komplexa vakuumsmältningsprocesser under inert atmosfär, vilket gör det dyrare än stål och aluminiumlegeringar. Även högre råvarukostnader, energiförbrukning, avfallsgenerering och låg återanvändbarhet för pulver bidrar till det höga försäljningspriset.

Vilka industrier använder titanlegeringspulver?

De viktigaste användningsområdena är flyg-, medicin- och dentalindustrin, bilindustrin, marinindustrin, sportutrustning och kemisk bearbetning på grund av den höga hållfastheten, låga vikten och korrosionsbeständigheten. Biokompatibiliteten möjliggör användning i kirurgiska implantat och ortodontiska trådar.

få veta mer om 3D-utskriftsprocesser