Titanmetallpulver

Översikt

Titanmetallpulver är en finkornig form av titanmetall som används i olika tillverkningstillämpningar. Den har ett utmärkt förhållande mellan styrka och vikt, korrosionsbeständighet och biokompatibilitet, vilket gör den lämplig för användning i komponenter för flyg- och rymdindustrin, medicinska implantat, sportutrustning, bildelar m.m.

Titanpulver kan framställas genom olika metoder, t.ex. finfördelning av smält titan, elektrolys av titanföreningar och direkt reduktion av titanmalm. Pulverets egenskaper och prestanda beror på produktionstekniken samt efterbehandlingsbehandlingar. Kritiska egenskaper som definierar kvaliteten och användbarheten hos titanpulver inkluderar partikelstorleksfördelning, morfologi, pulverflödesförmåga, skenbar densitet och föroreningsnivåer.

Typer av Titanmetallpulver

Typ	Produktionsmetod	Partikelstorlek	Morfologi	Skenbar densitet	Flytbarhet	Tillämpningar
Atomiserad	Gas- eller plasmaatomisering av smält titan	10 – 250 μm	Sfärisk, granulär	2.2 – 3,8 g/cc	Bra	Additiv tillverkning, MIM
Hydrid-dehydrid (HDH)	Vätning och dehydrogenering av titanskrot	<250 μm	Oregelbunden, svampig	1 – 2,5 g/cc	Dålig	Formsprutning av metall
Process med roterande elektrod	Elektrolys av titanföreningar	5 - 150 μm	Dendritisk	2 – 3 g/cc	Rättvist	Additiv tillverkning
Aluminotermisk reduktion	Kemisk reduktion med aluminium	50 – 500 μm	Oregelbunden, porös	1.5 – 3 g/cc	Rättvist	Eldfast metallisering

Atomiserat titanpulver har en sfärisk morfologi med bra flödes- och packningsegenskaper. Den är lämplig för krävande applikationer inom additiv tillverkning och formsprutning av metall.

Pulver av hydrid-dehydrid har lägre densitet och dåligt flöde jämfört med finfördelat pulver. Det används främst för formsprutning av metall på grund av dess lägre kostnad.

Pulver för roterande elektrodprocess har unika dendritiska partiklar som ger hög sintrad densitet. Det används i additiva tillverkningsmetoder som elektronstrålesmältning.

Sammansättning av titanmetallpulver

Titanmetallpulver indelas i fyra olika kvaliteter baserat på syre- och järninnehåll enligt ASTM-standarder:

Betyg	Syre (vikt-%)	Järn (vikt-%)	Övriga element
Betyg 1	0.18	0.20	N, C, H
Betyg 2	0.25	0.30	N, C, H
Betyg 3	0.35	0.30	N, C, H
Betyg 4	0.40	0.50	N, C, H

De viktigaste legeringselementen i titanpulver inkluderar:

• Aluminium (Al) – Förbättrar hållfasthet och värmebehandlingsbarhet
• Vanadin (V) – Ökar hållfasthet och duktilitet
• Tenn (Sn) – Förbättrar krypmotståndet
• Zirkonium (Zr) – Förfinar korn

Spårämnen som kväve, kol, väte och järn har också betydande effekter på de mekaniska egenskaperna. Strikt kontroll över den kemiska sammansättningen är nödvändig för att uppnå optimal prestanda.

Egenskaper hos titanmetallpulver

Fastighet	Värde	Betydelse
Täthet	4,5 g/cm3	Lägre än stål och nickellegeringar
Smältpunkt	1660°C	Bibehåller styrkan vid höga temperaturer
Styrka	900 – 1200 MPa	Starkare än aluminium
Elastisk modul	100 – 120 GPa	Lägre modul än stål
Töjning	15 – 25%	God duktilitet
Korrosionsbeständighet	Utmärkt	På grund av skyddande oxidskikt
Biokompatibilitet	Utmärkt	Lämplig för medicinska implantat
Termisk ledningsförmåga	7 – 16 W/m.K	Lägre än aluminium och stål

Egenskaperna hos färdiga titankomponenter beror på pulveregenskaperna samt på hur delarna tillverkas. Porositet, ytfinish, värmebehandling etc. har ett stort inflytande.

Viktiga fördelar med titanmetall är hög specifik hållfasthet, korrosionsbeständighet, utmattningshållfasthet och biokompatibilitet. Bland begränsningarna kan nämnas hög reaktivitet vid förhöjda temperaturer, vilket kräver inerta atmosfärer för pulverhantering och bearbetning. Titanlegeringar kan också vara svårare att bearbeta jämfört med andra metaller på grund av låg värmeledningsförmåga som orsakar lokal uppvärmning under bearbetningen.

Tillämpningar av Titanmetallpulver

Tillämpning	Exempel	Erforderliga pulveregenskaper
Additiv tillverkning	Komponenter för flyg- och rymdindustrin, ortopediska implantat	Sfärisk morfologi, kontrollerad partikelstorleksfördelning under 100 μm, hög renhet
Formsprutning av metall	Tandimplantat, fästelement	Oregelbundet pulver under 25 μm lämpligt för bindemedelsblandning
Eldfast metallisering	Titanbeläggningar på metallsubstrat	Brett utbud av pulverstorlekar från 5 μm till 500 μm
Pulvermetallurgi	Kopplingsstavar, drivaxlar	Tät kontroll över syre- och kväveinnehåll, god komprimerbarhet och sintringsbarhet
Termiska sprutbeläggningar	Skyddande ytbehandlingar för marina applikationer	Speciellt pulver för plasmasprutning med optimerad partikelstorleksfördelning
Pyroteknik	Bloss, sprängämnen	Grovare pulver över 150 μm lämpligt för metallbränsleformuleringar

Fina pulver under 100 mikrometer är att föredra för additiv tillverkning för att uppnå god upplösning och mekaniska egenskaper. För pressade och sintrade applikationer ger sfärisk morfologi optimal densitet, medan oregelbundna partiklar är att föredra för råmaterial till formsprutning av metall.

Specifikationer för titanmetallpulver

ASTM-standarder för olika titanpulverkvaliteter:

Standard	Beskrivning	Omfattade årskurser
ASTM B849	Standard för förlegerat titanpulver för MIM	Årskurs 1 till 4
ASTM B981	Standard för titanlegeringar för beläggningar vid termisk sprutning	Årskurs 1 och 2
ASTM B983	Standard för titanhydrid-dehydridpulver för MIM	Årskurs 1 till 4

Andra specifikationer för titanpulver:

Parameter	Typiska värden	Testmetoder
Fördelning av partikelstorlek	10 μm till 150 μm	Laserdiffraktion, siktanalys
Skenbar densitet	1 till 4 g/cc	Hall flödesmätare, Scott volymmätare
Tappdensitet	70 till 80% av verklig solid densitet	ASTM B527
Morfologi för pulver	Sfärisk, granulär, svampformad, dendritisk	SEM, optisk mikroskopi
Flödeshastighet	25 till 35 s/50 g	Hall-flödesmätare
Förlust vid tändning	0.1 till 2 vikt-%	ASTM E1019
Återstående väte	100 till 500 ppm	LECO inert gas fusion

Leverantörer av Titanmetallpulver

Leverantör	Produktionsmetod	Pulverkvalitet	Partikelstorlek
AP&C	Plasmaatomisering	Betyg 1, 2, 5	10 till 45 μm
TLS Teknik	Atomisering av gas	Betyg 23	45 till 150 μm
AMETEK	Roterande elektrod	Betyg 2	5 till 63 μm
Puris	Hydrid-dehydrid	Betyg 2	Upp till 150 μm

Indikativ prissättning för titanmetallpulver:

Betyg	Prissättning ($/kg)
Betyg 1	50 till 150
Betyg 2	40 till 100
Betyg 5	250 till 500

Massrabatter kan förekomma för stora beställningar över 100 kg. Faktiska priser varierar beroende på kvantitet, kvalitetskrav, ledtid etc.

Jämförelse av titanpulverproduktionsmetoder

Parameter	Atomisering av gas	Plasmaatomisering	HDH-processen	Roterande elektrod
Morfologi	Granulärt, sfäriskt	Mycket sfärisk	Svamp, oregelbunden	Dendritisk
Syrepickup	Måttlig	Låg	Hög	Låg
Genomströmning	Måttlig	Låg	Hög	Måttlig
Kostnad	Måttlig	Hög	Låg	Måttlig
Typiska tillämpningar	AM, MIM	AM, flyg- och rymdindustrin	MIM	AM

Det finns ingen enskild produktionsmetod som ger den bästa balansen mellan kvalitet och ekonomi. De flesta tillverkare specialiserar sig på en teknik och erbjuder olika kvaliteter för olika applikationer. Pulverkvalitet och repeterbarhet är avgörande för krävande applikationer, medan kostnaden är en viktigare faktor för produkter med höga volymer.

Vanliga frågor

F: Vad är skillnaden mellan titanpulver av kvalitetsklasserna 1, 2, 3 och 4?

S: Kvalitetsklasserna skiljer sig åt beroende på tillåten syre- och järnhalt. Grad 1 har de lägsta syrenivåerna medan grad 4 tillåter högre föroreningsnivåer. Lägre kvaliteter ger överlägsna mekaniska egenskaper medan högre kvaliteter minskar kostnaderna.

F: Vilken partikelstorlek titanpulver behöver jag för additiv tillverkning?

S: För de flesta AM-processer är det optimala partikelstorleksintervallet 10 till 45 mikrometer. Finare pulver under 100 kopia mikrometer ger bra upplösning och mekaniska egenskaper. Extremt fina partiklar under 10 μm kan dock vara svåra att sprida jämnt under skiktning. De är också mer benägna att drabbas av agglomereringsproblem.

F: Är titanpulver farligt?

A: Titanpulver kan antändas och orsaka explosionsrisk under vissa förhållanden. Fina titanpulver, särskilt hydridpulver, är mycket brandfarliga. Hantering av titanpulver kräver inertgasmiljöer med argon eller kväve. Förvaringsbehållare ska ha korrekt jordning. Arbetstagare måste vidta försiktighetsåtgärder mot inandning av damm och hudkontakt vid hantering av titanpulver.

F: Hur produceras titanpulver?

A: De fyra huvudsakliga produktionsmetoderna är:

1. Atomisering med gas: Strömmen av smält titan bryts ned i droppar som stelnar till pulver
2. Atomisering med plasma: Extremt hög värme från plasma smälter och stelnar titan snabbt
3. HDH-process: Titanskrot bearbetas med hjälp av vätgascykler för absorption och desorption
4. Roterande elektrod: Anodisk upplösning av titanstavar bildar pulver genom elektrolytiska reaktioner

Varje process resulterar i pulver med olika egenskaper som lämpar sig för olika tillämpningar.

F: Vad är priset på titanpulver?

A: Titanpulver kan variera från $ 40 till $ 500 per kg baserat på kvalitet, kvalitet, ordervolym etc. Sfäriskt pulver av klass 1 och 2 har ett måttligt pris på cirka 100 USD/kg för små kvantiteter. Speciallegeringar som används inom flygindustrin kan kosta upp till 500 USD/kg. Hydriddehydrid och pulver av högre kvalitet 4 är billigare alternativ på närmare 50 USD/kg för industriköpare.

få veta mer om 3D-utskriftsprocesser