TC11-Pulver: Produktion, Vorteile, Auswahl

TC11-Pulver ist ein wichtiges Material, das in verschiedenen Herstellungs- und Produktionsanwendungen eingesetzt wird. Dieser Leitfaden bietet einen detaillierten Überblick über TC11-Pulver, seine wichtigsten Eigenschaften, Anwendungen, Spezifikationen, Lieferanten, Installations-, Betriebs- und Wartungsverfahren.

Was ist TC11-Pulver?

TC11-Pulver ist ein spezielles Titanlegierungspulver, das für additive Fertigungsanwendungen wie das Laser-Pulverbett-Verfahren entwickelt wurde. Das "TC" bezieht sich auf das chromhaltige Titanlegierungssystem, während "11" die spezifische Legierungszusammensetzung angibt.

Zu den wichtigsten Eigenschaften von TC11-Legierung und -Pulver gehören:

• Hohe Festigkeit und Härte bei gleichzeitiger Duktilität
• Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit
• Gute Oxidationsbeständigkeit bis zu 700°C
• Geringe Dichte im Vergleich zu Stahllegierungen
• Biokompatibilität und Nicht-Toxizität

TC11-Teile können bei korrekter Verarbeitung Festigkeiten von über 1300 MPa und Dehnungen von über 10% erreichen. Das Material bietet eine hervorragende Kombination aus Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

TC11 ist eine α+β-Titanlegierung, die sowohl Alpha- als auch Beta-Phasen enthält. Die α-Phase sorgt für gute Duktilität und Bruchzähigkeit, während die Beta-Phase zu einer hohen Festigkeit beiträgt.

Zusammensetzung des TC11

Die nominale Zusammensetzung der TC11-Legierung ist:

Spurenelemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff werden auf ein Minimum reduziert, da sie die mechanischen Eigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit negativ beeinflussen. Der Chromgehalt sorgt für eine ausgezeichnete Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit.

Herstellung von TC11-Pulver

TC11-Legierungspulver kann mit verschiedenen Methoden hergestellt werden:

• Gaszerstäubung: Inertes Hochdruckgas wird verwendet, um die geschmolzene Legierung in feine Tröpfchen zu verwandeln, die zu kugelförmigen Pulverteilchen erstarren. So entsteht ein Pulver mit guter Fließfähigkeit und Packungsdichte.
• Plasma-Rotations-Elektroden-Verfahren (PREP): Durch Elektrodenrotation und Schmelzen im Plasmalichtbogen entstehen hochkugelförmige Pulver mit kontrollierter Mikrostruktur und Zusammensetzung.
• Hydrid-Dehydrid (HDH): Die Legierung wird zu spröden Bruchstücken hydriert, die zu Pulver zerkleinert und dann dehydriert werden. Dabei entstehen unregelmäßige, kantige Pulverteilchen.

Gasverdüstes und PREP-Pulver haben eine höhere Qualität, aber HDH-Pulver kann billiger sein. Partikelgrößenverteilung, Morphologie und Reinheit werden während der Produktion sorgfältig kontrolliert, um die Eigenschaften zu optimieren.

Anwendungen von TC11-Pulver

TC11-Teile, die aus der Pulverlegierung hergestellt werden, finden in der Luft- und Raumfahrt, in der Öl- und Gasindustrie, im Automobilbau, in der Medizintechnik, in der chemischen Industrie und vielen anderen Bereichen Anwendung.

Einige wichtige Anwendungen sind:

• Luft- und Raumfahrt: Strukturbauteile wie Flugzeugzellen, Rippen, Schotten, Befestigungen, Halterungen, Ventile usw., bei denen ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht entscheidend ist.
• Automobilindustrie: Komponenten des Ventiltriebs, Pleuelstangen, Antriebswellen, Teile von Turboladern, die hohen Temperaturen und Belastungen ausgesetzt sind.
• Medizinisch: Orthopädische und zahnmedizinische Implantate wie Gelenkersatz, Schrauben, Platten, die Biokompatibilität, Korrosionsbeständigkeit und hohe Festigkeit erfordern.
• Chemische Verarbeitung: Wärmetauscher, Tanks, Rohre, Pumpen, Ventile, die in korrosiven Umgebungen bei hohen Temperaturen eingesetzt werden.
• Stromerzeugung: Komponenten für Dampf- und Gasturbinen, Wärmetauscher und Rohre in Kernkraftwerken.
• Marine: Propeller, Wellen, Pumpen, Ventile, Rohrleitungen, bei denen die Korrosionsbeständigkeit gegenüber Meerwasser entscheidend ist.

TC11 kombiniert hohe spezifische Festigkeit mit Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit, um in kritischen Komponenten unter anspruchsvollen Bedingungen zuverlässig zu funktionieren.

Vorteile der Verwendung von TC11-Pulver

Einige der wichtigsten Vorteile der Verwendung von TC11 gegenüber anderen Legierungen:

Hohe Festigkeit: Bei additiv gefertigten TC11-Bauteilen kann eine Zugfestigkeit von 1300 MPa oder mehr erreicht werden. Dies ist deutlich höher als bei Edelstahl oder Aluminiumlegierungen.

Zähigkeit: Eine Dehnung über 10% gewährleistet eine gute Schadenstoleranz auch bei hohen Festigkeiten. Dies ermöglicht eine zuverlässige Leistung bei dynamischen Belastungen.

Leichtes Gewicht: Mit einer Dichte von etwa 4,7 g/cm3 sind TC11-Teile viel leichter als Stahl, was zu erheblichen Gewichtseinsparungen führt.

Korrosionsbeständigkeit: Der hohe Chromgehalt sorgt für eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Lochfraß, Spalt- und Spannungsrisskorrosion in rauen Umgebungen.

Hohe Temperaturstabilität: Kann Temperaturen von bis zu 700 °C standhalten, ohne durch Oxidation an Festigkeit oder Korrosionsbeständigkeit zu verlieren.

Biokompatibilität: Ungiftigkeit und hohe Korrosionsbeständigkeit ermöglichen die Verwendung für medizinische Implantate und Geräte.

Verarbeitbarkeit: TC11 kann durch Laserschmelzen im Pulverbett, Metallspritzguss und Kneten zu verschiedenen Bauteilformen verarbeitet werden.

Mit seinen vielseitigen Eigenschaften ermöglicht TC11-Pulver leichtere, stärkere und zuverlässigere Teile, die in anspruchsvollen Anwendungen in allen Sektoren entscheidend sind.

TC11 Pulverspezifikationen

TC11-Pulver für AM-Prozesse müssen strengen Spezifikationen in Bezug auf Zusammensetzung, Partikelgrößenverteilung, Morphologie, Mikrostruktur und Verunreinigungsgrad genügen.

Chemische Zusammensetzung

Die Pulverzusammensetzung muss den Standardgrenzwerten für kritische Legierungselemente nach TC11 entsprechen:

Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff sind auf jeweils ≤ 0,20% begrenzt. Der Wasserstoffgehalt sollte weniger als 100 ppm betragen. Der Rest ist Titan. Die Einhaltung der chemischen Spezifikationen gewährleistet, dass das Endprodukt die gewünschten Eigenschaften aufweist.

Partikelgrößenverteilung

Die meisten Laser-Pulverbett-Schmelzgeräte arbeiten am besten mit Pulver in einem Größenbereich von 15-45 Mikron. Übliche Größenverteilungen sind:

• D10: 10 μm
• D50: 25-35 μm
• D90: 40-55 μm

Feinere Pulver können die Auflösung verbessern, verringern aber die Fließfähigkeit. Gröbere Pulver lassen sich beim Auftragen möglicherweise nicht gut verpacken und erzeugen schlechtere Oberflächen.

Morphologie des Pulvers

• Sphärische, glatte Pulverpartikel mit minimalen Satelliten werden bevorzugt.
• Unregelmäßiges, kantiges Pulver kann die Dichte des Pulverbettes, die Fließfähigkeit und die Qualität der Teile negativ beeinflussen.
• An die Hauptpartikel angehängte Satellitenpartikel stören ebenfalls die Ausbreitung und Dichte des Pulvers.

Mikrostruktur

• Gasverdüste und PREP-Pulver haben verfeinerte, homogene Mikrostrukturen, die sich ideal für AM eignen.
• HDH-Pulver können gröbere, inhomogene Gefüge enthalten.

Verunreinigungen

Verunreinigungen wie Oberflächenoxidschichten, adsorbierte Gase und Verunreinigungen können die Pulvereigenschaften beeinträchtigen. Strenge Analysen und Kontrollen sind erforderlich, um den Verunreinigungsgrad zu kontrollieren.

Die Erfüllung aller Spezifikationsanforderungen für TC11-Pulver ist entscheidend für die Stabilität des AM-Prozesses, die Qualität der Teile und die mechanische Leistung.

Lieferanten von TC11-Pulver

Zu den wichtigsten globalen Anbietern von TC11-Titanlegierungspulver für die additive Fertigung gehören:

Preisgestaltung: Der Preis kann von $100-500 pro kg variieren, je nach Auftragsvolumen, Pulversorte, Partikelgrößenverteilung, Produktionsverfahren usw.

Vorlaufzeiten: Der Lagerbestand ist begrenzt. Typische Lieferzeiten sind 3-6 Monate für gaszerstäubtes Pulver und 6-12 Monate für plasmazerstäubtes Pulver.

Mindestbestellungen: Probebestellungen unter 10 kg sind möglich, aber bei Großbestellungen über 100 kg erhalten Sie bessere Preise.

Qualitätskontrollen: Das Pulver sollte mit Daten zur Zusammensetzung und Partikelgrößenverteilung, MSDS, SEM-Bildern und anderen Prüfberichten geliefert werden.

Installation und Betrieb von TC11 pulverbasierten AM-Maschinen

Die Installation und der Betrieb von Metall-AM-Anlagen, die TC11-Pulver verwenden, erfordern die Beachtung von Sicherheit, Verfahren und Parametern, um qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erzielen.

Anforderungen an die Einrichtung

• Stabile Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Belüftung
• Brandsicherheits- und Explosionsschutzsysteme
• Schutz vor Gefahren durch Metallpulver
• Staubmanagement und Protokolle zur Pulverlagerung

Installation der Maschine

• Installieren Sie die Maschine gemäß den OEM-Richtlinien und sichern Sie alle Module.
• Kalibrierung von Sensoren, Optiken, Mechanismen und Steuerungen
• Prüfung von Sicherheitssystemen wie Notausschalter, Alarme, Brandschutz
• Herstellen von Strom-, Inertgas- und Kühlwasseranschlüssen

Arbeitsablauf

• Parameterauswahl anhand von PBF-Modell, TC11-Eigenschaften und Teilegeometrie
• Sieben und Mischen von Pulverchargen zur Erfüllung der Partikelspezifikationen
• Auftragen gleichmäßiger Pulverschichten mit Rückbeschichtungssystem
• Für die gewünschte Mikrostruktur optimierte Laserscanstrategie
• Minimierung von thermischen Spannungen und Verformungen während der Herstellung
• Lösen des Teils von der Platte, Absaugen des Pulvers und Reinigung

Ausbildung des Personals

• Betriebsverfahren, Sicherheitsprotokolle und Grundlagen der Wartung
• Qualitätsmanagement mit Hilfe von Konstruktionsregeln, Parametern, Metallographie, Prüfung
• Pulverhandling, Maschineneinrichtung, Bauoptimierung, Nachbearbeitung

Mit geschultem Personal und robusten Betriebsverfahren können TC11 AM-Systeme hohe Produktivität und Prozesskonsistenz bieten.

Wartung von TC11 Powder AM Maschinen

Eine konsequente vorbeugende Wartung zusammen mit einem ordnungsgemäßen Maschinenbetrieb ist der Schlüssel zur Maximierung der Betriebszeit und der Leistungskonstanz von TC11 AM Systemen.

Tägliche/wöchentliche Checks

• Prüfen Sie wichtige Module wie Laser, Optik und Scanner auf Schäden
• Überwachung der Pulverstände und anderer Verbrauchsmaterialien
• Reinigen Sie die Baukammer und die Plattformen, um Verunreinigungen zu vermeiden.
• Testen Sie die Klinge und die Sensoren des Überziehers, um Verschleiß festzustellen.
• Leckagen in Kühl-, Hydraulik- und Inertgasleitungen prüfen
• Bestätigung der elektrischen Erdung und der Kalibrierung der Messgeräte

Regelmäßige Wartung

• Filter nach Plan auswechseln
• Schmieren und ersetzen Sie verschlissene Komponenten wie Lager, Kolben
• Ketten- und Getriebemechanismen prüfen, bei Bedarf neu ausrichten/ersetzen
• Test von Not-Aus, Sicherheitstüren, Alarmen und Verriegelungen
• Validierung von Prozessüberwachungssensoren und Kalibrierung
• Überprüfen Sie die Laseroptik und die Fenster und ersetzen Sie sie, wenn sie beschädigt sind.

Jährliche Überholung

• Demontage kritischer Module zur internen Inspektion
• Vorbeugender Austausch von verschleiß- und ausfallgefährdeten Komponenten
• Hardware- und Software-Upgrades auf die neueste Version
• Vollständige Prüfung und Rekalibrierung der Instrumente
• Test-Builds zur Überprüfung der Leistung nach der Wartung

Eine proaktive Wartung, gepaart mit soliden Betriebspraktiken, gewährleistet eine maximale Verfügbarkeit und Leistung des Pulverbettschmelzsystems für TC11-Teile.

Wie man einen TC11-Pulverlieferanten auswählt

Bei der Auswahl eines TC11-Pulverlieferanten für die additive Fertigung müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden, um einen Anbieter zu finden, der die Qualitäts- und Leistungsanforderungen zuverlässig erfüllt.

Qualität der Produkte

• Zusammensetzung des Pulvers innerhalb der spezifizierten TC11-Grenzwerte
• Gleichmäßige Partikelgrößenverteilung im idealen Bereich
• Sphärische Morphologie mit minimalen Satelliten
• Geringer Gehalt an Oxid und anderen Verunreinigungen
• Prüfdaten für kritische Pulvereigenschaften

Technisches Leistungsvermögen

• Fachwissen der Mitarbeiter in der Herstellung von Titanlegierungspulver
• Strenge Qualitätskontrolle bei der Herstellung
• Palette der hauseigenen Charakterisierungsgeräte

Herstellungsprozess

• Gaszerstäubung oder Plasmaprozess für optimale Qualität
• Konsistenz und Reproduzierbarkeit von Charge zu Charge

Prüfung und Zertifizierung

• ISO 9001-konformes Qualitätsmanagementsystem
• Pulverchargen, die durch Prüfberichte belegt sind
• Zertifizierungen zum Nachweis der Produktqualität

Auftragsabwicklung

• Fähigkeit, die geforderten Lieferzeiten und -mengen einzuhalten
• Bereitschaft zur Annahme kleiner Probeaufträge
• Auftragsverfolgung und Statusaktualisierung

Kundenbetreuung

• Technische Unterstützung bei der Antragstellung
• Reaktionsfähigkeit bei Anfragen und Problemen
• Möglichkeit zur Anpassung der Partikelgröße oder -zusammensetzung

Die Bewertung von Pulverlieferanten anhand der oben genannten Parameter minimiert die Risiken und trägt dazu bei, eine hohe, zuverlässige TC11-Pulverqualität zu gewährleisten.

Vor- und Nachteile von TC11-Pulver für die additive Fertigung

TC11 hat viele Vorteile, aber auch einige Einschränkungen, die bei der Verwendung für AM-Anwendungen zu berücksichtigen sind.

Vorteile

• Erhöhte Festigkeit und Härte gegenüber Ti6Al4V
• Ausgezeichnete Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit
• Höhere Betriebstemperaturen bis zu 700°C
• Geringere Dichte als Stahl für leichte Teile
• Nachgewiesene Biokompatibilität für medizinische Anwendungen
• Erhältlich bei mehreren renommierten Anbietern

Benachteiligungen

• Teurer als Ti6Al4V-Pulver
• Geringere Zugdehnbarkeit als Ti6Al4V
• Erfordert die Nachbearbeitung durch heißisostatisches Pressen (HIP)
• Hohe Reaktivität von Titanpulvern wirft Sicherheitsfragen auf
• Begrenzte Daten im Vergleich zu etablierteren Legierungen verfügbar

Ideale Anwendungen

• Komponenten für die Luft- und Raumfahrt und die Automobilindustrie, die eine hohe Festigkeit erfordern
• Kritische statische Teile, die einer HIP-Behandlung unterzogen werden können
• Biomedizinische Implantate mit komplexen Geometrien
• Chemische/petrochemische Geräte, die Korrosion ausgesetzt sind

Weniger geeignete Anwendungen

• Hochdynamische Komponenten, die eine extrem hohe Duktilität erfordern
• Sehr große Teile, begrenzt durch die Größe der AM-Baukammer
• Komponenten, die aufgrund versiegelter innerer Hohlräume nur schwer HIP-fähig sind
• Kostensensitive Anwendungen, bei denen Ti6Al4V ausreichen kann

Insgesamt bietet TC11 in vielerlei Hinsicht eine höhere Leistung als Ti6Al4V, was seinen Einsatz bei anspruchsvollen Konstruktionsanforderungen rechtfertigt.

FAQ

F: Welcher Partikelgrößenbereich von TC11-Pulver ist für das Laser-Pulverbettschweißen optimal?

A: 15-45 Mikrometer werden empfohlen, wobei ein D50 von 25-35 Mikrometer für die meisten Druckermodelle ideal ist. Feinere Pulver können zu Problemen bei der Verteilung und Fließfähigkeit führen.

F: Erfordert die TC11-Legierung eine Nachbearbeitung durch Spannungsarmglühen?

A: Ja, Spannungsarmglühen bei 700°C für 2 Stunden mit anschließender Luftkühlung ist in der Regel notwendig, um Rissbildung und Verformung zu minimieren. Auch heißes isostatisches Pressen verbessert die Eigenschaften weiter.

F: Wie hoch ist die typische Oberflächenrauhigkeit bei der Herstellung von TC11-Pulver?

A: Mit optimierten AM-Prozessparametern kann eine Oberflächenrauheit von unter 10 Mikron Ra erreicht werden. Einige Nachbearbeitungen wie z. B. die Fließbearbeitung können dennoch erforderlich sein.

F: Was ist die empfohlene Schichtdicke für den Druck von TC11-Pulver?

A: Empfohlen werden 20-50 Mikrometer, wobei 30 Mikrometer eine gängige Wahl sind. Dünnere Schichten verbessern die Auflösung, verlängern aber die Bauzeit erheblich.

F: Gibt es Zusammensetzungsvarianten der TC11-Legierung mit höherer Festigkeit oder Duktilität?

A: TC18 (Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr) bietet eine höhere Zugfestigkeit und TC17 (Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr) eine höhere Duktilität als TC11.

F: Behält unbenutztes TC11-Pulver aus AM-Maschinen seine Eigenschaften bei?

A: Bei ordnungsgemäßer Lagerung in einer inerten Umgebung kann TC11-Pulver in der Regel bis zu 10-20 Mal wiederverwendet werden, bevor eine signifikante Verschlechterung der Eigenschaften eintritt.

F: Wie hoch ist die typische Baudichte, die mit TC11-Teilen erreicht wird?

A: Eine Dichte von über 99,5% ist ohne weiteres erreichbar. Durch heißes isostatisches Pressen können interne Hohlräume und Poren weiter eliminiert werden, um die Dichte zu maximieren.

F: Welche Nachbearbeitungsschritte werden für TC11 AM-Teile neben dem Spannungsarmglühen empfohlen?

A: Zerspanung, Fließbearbeitung, Kugelstrahlen, Laserpolieren und Beschichtung werden je nach Anwendungsanforderungen häufig eingesetzt.

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