Titanpulver för additiv tillverkning

Titanpulver är ett kritiskt material för att skriva ut höghållfasta, lätta titankomponenter med additiv tillverkningsteknik som selektiv lasersmältning (SLM) och elektronstrålesmältning (EBM). Den här guiden ger en omfattande översikt över titanpulver för AM.

Introduktion till titanpulver för AM

Titanpulver möjliggör 3D-utskrift av titandelar med exceptionella egenskaper:

• Högt förhållande mellan styrka och vikt
• Utmärkt korrosionsbeständighet
• Goda egenskaper vid höga temperaturer
• Biokompatibilitet för medicinsk användning
• Reaktiv och kräver kontrollerad bearbetning

Vanliga titanlegeringar för AM:

• Ti-6Al-4V (Ti64)
• Ti-6Al-7Nb (Ti647)
• Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr (Ti5553)
• Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6-2-4-2)

Pulverets viktigaste egenskaper:

• Kemi och mikrostruktur
• Partikelstorlek och -fördelning
• Partikelns form och morfologi
• Renhet
• Flytbarhet och skenbar densitet

Ti-6Al-4V pulver

Ti-6Al-4V är det vanligaste titanlegeringspulvret som används i AM:

• Ger en utmärkt kombination av styrka, duktilitet och korrosionsbeständighet
• Hållfastheten kan nå 1300 MPa och högre för AM-delar
• Smälter vid ca 1600°C och kräver värmehantering under tryckning
• Känslig för syreupptagning - kräver kontrollerad atmosfär

Applikationer:

• Komponenter till flyg- och fordonsindustrin
• Biomedicinska implantat som ortopediska knä- och höftproteser
• Delar till livsmedels- och kemisk processindustri
• Konsumentprodukter

Leverantörer: AP&C, Tekna, Carpenter Additive, Arcam AB

Ti-6Al-7Nb-pulver

Ti-6Al-7Nb-pulver ger överlägsen draghållfasthet och krypmotstånd:

• Hög hållfasthet upp till 1500 MPa genom utskiljningshärdning
• God svetsbarhet
• Används som ett alternativ till giftiga vanadinlegeringar
• Kräver het isostatisk pressning (HIP) för att minimera hålrum

Applikationer:

• Flyg- och rymdkomponenter som flygplansskrov och turbiner
• Motorsportdelar som utsätts för höga påfrestningar
• Tandimplantat och medicinsk protetik
• Marina applikationer som fartyg och propellrar

Leverantörer: AP&C, TLS Technik GmbH, Tekna

Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-pulver

Ti-5-5-5-3-pulver ger utmärkt härdbarhet och djuphärdning:

• Hållfasthetsnivåerna överstiger 1400 MPa
• Bibehåller sina egenskaper vid över 350°C
• Används för svårbearbetade titandelar
• Ger hög utmattningshållfasthet och kryphållfasthet

Applikationer:

• Landningsställ och konstruktionsdelar till flygplan
• Motor- och chassikomponenter för Formel 1
• Skivor till turbinmotorer och kompressordelar
• Fästelement och hårdvara för flyg- och rymdindustrin

Leverantörer: AP&C, Carpenter Additive, Arcam AB

Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo pulver

Ti-6-2-4-2-pulver ger överlägset motstånd mot erosion i het gas:

• Motstår oxidation och korrosion upp till 600°C
• Utmärkt hållfasthet upp till 1300 MPa
• Används för delar som utsätts för gaser med hög temperatur
• Kräver varm isostatisk pressning för att uppnå full densitet

Applikationer:

• Blad och skovlar till flygplansmotorer
• Munstycken till raketmotorer
• Missilkomponenter som utsätts för heta gasflöden
• Komponenter till kärnkraftsreaktorer

Leverantörer: AP&C, Tekna, Sandvik Osprey

Titan av klass 1 och klass 2

Grad 1 och 2 olegerad titanpulver ger utmärkt korrosionsbeständighet:

• Hög renhet med låg andel interstitiella element
• Utmärkt biokompatibilitet
• Låg hållfasthet jämfört med legeringar; ca 380 MPa
• Används för kemiska, marina och konsumenttillämpningar

Applikationer:

• Biomedicinska implantat som kranialplattor
• Kärl och rörledningar för kemiska reaktorer
• Marina komponenter som propelleraxlar
• Utrustning för livsmedelsbearbetning

Leverantörer: AP&C, TLS Technik, Tekna Plasma Systems

Pulver av titanaluminid

Titanaluminidlegeringar som Ti4522 ger lätta komponenter:

• Låg densitet - 3,7 g/cm3
• Hållfasthet upp till 1000 MPa
• Utmärkt korrosionsbeständighet
• Hög temperaturkapacitet upp till 750°C
• Utmanande att bearbeta på grund av snabb kylning och stelning

Applikationer:

• Kompressordelar för flyg- och rymdindustrin
• Turboladdarhjul för bilar
• Förbränningskammarens foder
• Missil- och flygplansstrukturer

Leverantörer: Kennametal, AP&C, Sandvik

Produktionsmetoder för titanpulver

1. Atomisering av gas

• Inert gas som används för att finfördela smält metall i fina droppar
• Sfäriska pulver idealiska för AM, 10-100 mikrometer
• Hög renhet, kan vara dyr

2. Atomisering med plasma

• Använder plasmagas för att atomisera smält metall
• Kontrollerade partikelformer och -storlekar
• Lägre syreupptagning än gasatomisering

3. Hydrid-Dehydrid (HDH)

• Krossad titanhydrid dehydratiseras
• Oregelbundna former, stora partikelstorlekar
• Lägre kostnad, kan ha högre föroreningsgrad

Tekniska specifikationer

Typisk titanpulver specifikationer för AM:

Kontroll av partikelstorleksfördelning, form, kemi och densitet är avgörande.

Hantering och förvaring av titanpulver

Särskild hantering krävs för att förhindra oxidation och fuktupptagning:

• Använd behållare och överföringskärl av rostfritt stål
• Hantera pulver endast i handskboxar med inert gas
• Använd argonatmosfär med hög renhet
• Undvik direkt exponering för luft och vatten
• Jorda all materialhanteringsutrustning
• Håll förvaringstemperaturer på -10°C till 30°C
• Frys pulverbädden när skrivaren är inaktiv för att förhindra syreabsorption

Korrekt förvaring förlänger återanvändningstiden för titanpulver avsevärt.

Pulversiktning

Siktning används för att få en jämn fördelning av partikelstorleken:

Fördelar

• Bryter upp agglomerat
• Avlägsnar satellitpartiklar
• Minskar sannolikheten för defekter
• Förbättrar pulverflöde och packning

Förfarande

• Sikta pulvret genom ett finmaskigt nät på cirka 20 mikron
• Använd rotations- eller vibrationssiktning
• Utför under inert täckgas
• Dokumentera återstående pulverviktsprocent

Högkvalitativt startpulver i kombination med siktning minimerar defekter i slutprodukten.

Leverantörer och prissättning

• Olegerat pulver av klass 1 och klass 2 kostar ~$150-250/kg
• Ti-6Al-4V och Ti-6Al-7Nb kostar ~$250-450/kg
• Speciallegeringar kostar $500-650/kg

Priserna beror på ordervolym, kvalitetsnivå, mikrostruktur och morfologi.

Installation och idrifttagning av skrivare

Installation av en AM-skrivare i titan kräver:

• Grundlig rengöring och läckagekontroll
• Kontroll av renhet i argonsystem
• Lastning och testning av pulverhanteringssystemet
• Kalibrering och utjämning av byggplattan
• Integrerad kylare, gasförsörjning, siktstation
• Programmering av processparametrar
• Tryckning av testdelar för att validera kvaliteten

Leverantörerna tillhandahåller installationssupport för att säkerställa en optimal maskininstallation.

Bästa praxis för utskrift

Skrivarens funktion:

• Upprätthåller argonnivåer med hög renhet
• Noggrann övervakning av smältbadet och det termiska beteendet
• Validering av alla kritiska dimensioner
• Regelbundet byte av filter och förbrukningsartiklar
• Övervakning av pulver för återanvändningsnivåer

Säkerhet för personalen:

• Använd personlig skyddsutrustning som andningsskydd vid hantering av pulver
• Undvik kontakt med fint titanpulver
• Korrekt avfallshantering av använt titanpulver

Delvis efterbearbetning:

• Ta försiktigt bort stöd från känsliga delar
• Värmebehandling anpassad till legering och applikation
• Varm isostatisk pressning för att förbättra densiteten
• CNC-bearbetning och efterbehandling om så krävs

Att följa leverantörens rekommenderade procedurer är avgörande för att uppnå felfria tryckta delar i titanlegeringar.

Underhåll och inspektion

Regelbundna underhållsaktiviteter krävs:

Dagligen:

• Inspektera optiken med avseende på skador och avlagringar
• Övervaka argonnivåer och syresensorer
• Kontrollera pulverhanteringssystemets tätningar och sensorer
• Rengör byggkammare och sikt Pulverrester

Varje vecka:

• Kalibrera instrument och sensorer
• Smörj och inspektera rörliga delar
• Inspektera elektriska plintar och jordning

Månadsvis:

• Utföra läckagetester på argonsystem
• Inspektera säkerhetsanordningar och larm
• Kontrollera filterstatus och byt ut vid behov
• Övervaka systemets övergripande hälsa

Årligen:

• Planera förebyggande underhåll
• Byt ut förbrukningsartiklar och optik
• Inspektion och uppgradering av hårdvara

Proaktivt underhåll förbättrar utrustningens tillförlitlighet och livslängd.

Välja ett tryckningssystem för titan

Viktiga urvalskriterier för ett 3D-utskriftssystem för titan:

1. Produktionskrav

• Typer av delar som ska tillverkas
• Materialklass baserad på nödvändiga egenskaper
• Produktionsvolymer krävs
• Krav på noggrannhet och ytfinhet

2. Specifikationer för skrivare

• Stöd för och optimering av legeringar
• Bygghastighet, precision och repeterbarhet
• Kontroll och inneslutning av inerta gaser
• Funktioner för automatisering
• Storlek och kapacitet

3. Pulverhanteringssystem

• Integrerad eller fristående
• Kapacitet för siktning, lagring och återanvändning
• Övervakning av syre och fukt
• Enkel drift och begränsning

4. Efterlevnad av standarder

• Branschstandarder som ASTM F2924
• Tillverkarens kvalitetscertifieringar
• CE-, FCC-överensstämmelse

5. Legitimation för leverantör

• Specialiserad expertis inom titan AM
• Support för lokal applikationsteknik
• Operatörsutbildning erbjuds
• Underhålls- och serviceavtal

Genom att utvärdera alternativen baserat på dessa faktorer kan man säkerställa att man väljer det perfekta additiva tillverkningssystemet för titan som uppfyller produktionsbehoven.

För- och nackdelar med Titanium AM

Fördelar

• Utmärkt förhållande mellan styrka och vikt
• Korrosionsbeständighet, biokompatibilitet
• Färre delar, bättre prestanda
• Snabb bearbetning av komplexa geometrier
• Kundanpassade konstruktioner och serieproduktion
• Minskar skrot jämfört med maskinbearbetning
• Konsoliderar sammansättningar till en del

Nackdelar

• Hög material- och maskinkostnad
• Ytterligare steg i efterbearbetningen
• Begränsningar av maximal detaljstorlek
• Kontroll av interna defekter kan vara en utmaning
• Materialegenskaperna kan variera jämfört med smide
• Specialiserad expertis krävs

Felsökning av Titanium AM-problem

Vanliga frågor

F: Hur hanteras reaktivt titanpulver på ett säkert sätt?

S: Använda handskboxar och behållare för inert gas, undvika luftexponering och upprätthålla korrekta argonnivåer under tryckningen.

F: Vilken partikelstorlek används för titan AM-pulver?

A: Vanligtvis 10-45 mikron, med strängare kontroll runt 20-45 mikron distribution.

Q: Vilka efterbehandlingsmetoder används?

A: Borttagning av stöd, värmebehandling, varm isostatisk pressning och slutbearbetning/polering.

F: Vilka föroreningar påverkar återanvändning av titanpulver?

A: Uppsamling av syre, kväve, väte och kol minskar återanvändningsbarheten. Strikta hanteringsrutiner krävs.

F: Hur många gånger kan titanpulver återanvändas?

A: Vanligtvis 20-100 utskrifter beroende på legering, hantering och förvaring. Titan av grad 23 ger bättre återanvändning än grad 5.

F: Vilken temperatur används för värmebehandling av AM-delar i titan?

A: Lösningsbehandling sker 50-100°C under betatransustemperaturen, följt av åldring och luft-/ugnkylning.

F: Vilka standarder gäller för AM-pulver av titan?

A: ASTM B801, ASTM F2924, ASTM F3001, ISO 23304 (under utveckling).

F: Varför används varm isostatisk pressning?

S: HIP hjälper till att stänga interna hålrum och uppnå högre densitet och förbättrade mekaniska egenskaper.

Slutsats

Titanpulver möjliggör tryckning av mycket starka och lätta titankomponenter för avancerade flyg-, medicin-, fordons- och industriapplikationer med hjälp av AM-tekniker som SLM och EBM. Med egenskaper som är överlägsna konventionellt titan kan komplexa geometrier tillverkas snabbt och effektivt. För att uppnå felfria resultat krävs dock reaktiv pulverhantering, kontrollerade processparametrar, utbildade operatörer och kvalificeringsprocedurer för detaljerna. I takt med att expertisen utvecklas ytterligare kommer AM med titanpulver att ge helt nya möjligheter att tillverka kundanpassade, högpresterande titandelar med kortare ledtider.

få veta mer om 3D-utskriftsprocesser