Überblick über Ti22Al25Nb-Pulver
Ti22Al25Nb ist ein Alpha-2-Titanaluminid-Legierungspulver mit 22% Aluminium, 25% Niob und dem Rest Titan. Sie weist eine attraktive Kombination von Eigenschaften auf:
- Geringe Dichte - 3,7 g/cm3, fast die Hälfte der Dichte von Nickelsuperlegierungen
- Ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit und Kriechfestigkeit
- Gute Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit
- Eignung für Betriebstemperaturen bis zu 750°C
Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich Ti22Al25Nb für die Herstellung von leichten Hochleistungskomponenten für die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie und andere Anwendungen mittels additiver Fertigung oder Pulvermetallurgie.
Arten von Ti22Al25Nb-Pulver
Ti22Al25Nb-Legierungspulver kann je nach Herstellungsverfahren und Morphologie in die folgenden Haupttypen eingeteilt werden:
| Typ | Beschreibung | Partikelform | Größenbereich | Produktionsverfahren |
|---|---|---|---|---|
| Zerstäubtes Gas | Unregelmäßiges kugelförmiges Pulver | Meistens kugelförmig | 15-75 μm | Gaszerstäubung |
| Plasma zerstäubt | Hochgradig kugelförmiges Pulver | Hochgradig kugelförmig | 10-45 μm | Plasma-Zerstäubung |
| Gemischt | Gemisch aus gasförmigen, zerstäubten und unregelmäßigen Partikeln | Gemischte Morphologie | 15-125 μm | Mechanische Vermischung |
| Legiert | Vorlegiertes Pulver mit homogener Zusammensetzung | kugelförmig oder unregelmäßig | 15-105 μm | Gas-/Plasmazerstäubung von vorlegierter Schmelze |
Plasmazerstäubte und vorlegierte Pulver bieten homogenere Eigenschaften, sind aber teurer. Gemischte und gaszerstäubte Pulver sind eine kostengünstigere Option.
Merkmale und Eigenschaften von Ti22Al25Nb-Pulver
Ti22Al25Nb weist eine außergewöhnliche Mischung aus physikalischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften auf:
| Eigentum | Beschreibung |
|---|---|
| Dichte | 3,7 g/cm3 |
| Schmelzpunkt | 1540°C |
| Elektrischer spezifischer Widerstand | 182 μΩ-cm |
| Elastizitätsmodul | 151 GPa |
| Querkontraktionszahl | 0.34 |
| Zugfestigkeit | 500-900 MPa |
| Druckfestigkeit | 1000-1600 MPa |
| Härte | 350-450 HV |
| Bruchzähigkeit | 25-35 MPa-m^1/2 |
| Wärmeleitfähigkeit | 24 W/m-K |
| Wärmeausdehnungskoeffizient | 11 x 10^-6 K^-1 |
| Oxidationsbeständigkeit | Ausgezeichnet bis zu 750°C |
Aufgrund dieser Eigenschaften eignet es sich für hochbelastete Anwendungen bei erhöhten Temperaturen in korrosiven Umgebungen in allen Sektoren.
Anwendungen von Ti22Al25Nb-Legierungspulver
Ti22Al25Nb-Pulver kann zur Herstellung von Komponenten für die folgenden Anwendungen verwendet werden:
Luft- und Raumfahrt: Turbinenschaufeln, Scheiben, Gehäuse, Hitzeschilde, Motorteile
Automobilindustrie: Turboladerräder, Ventile, Pleuel, Federn, Auspuffkomponenten
Industrielle Gasturbinen: Brennerauskleidungen, Düsen, Rotoren, Gehäuse
Chemische Industrie: Ventile, Pumpen, Wärmetauscher für korrosive Umgebungen
Biomedizinische: Orthopädische und Zahnimplantate, chirurgische Instrumente
Sport und Freizeit: Golfschlägerköpfe, Fahrradteile, Komponenten für Motorräder
Elektronik: Leadframes, Steckverbinder, Verpackungen für das Wärmemanagement
Energie: Nukleare, geothermische und solarthermische Anlagen, die eine hohe Temperaturbeständigkeit erfordern
Die geringe Dichte und die Hochtemperatureigenschaften bieten im Vergleich zu herkömmlichen Nickel- und Stahllegierungen erhebliche Vorteile bei der Gewichtsreduzierung und der Verbesserung der Effizienz.
Spezifikationen von Ti22Al25Nb-Pulver
Ti22Al25Nb-Pulver muss den folgenden Spezifikationen entsprechen:
| Parameter | Spezifikation | Prüfverfahren |
|---|---|---|
| Partikelgröße | 15-150 μm | Laserbeugung, Siebanalyse |
| Partikelform | Sphärisch, eckig oder gemischt | SEM-Bildgebung |
| Scheinbare Dichte | > 2,5 g/cm3 | ASTM B212 |
| Dichte des Gewindebohrers | > 3,5 g/cm3 | ASTM B527 |
| Durchflussmenge | > 25 s/50g | ASTM B213 |
| Zusammensetzung | Al 20-23 wt%, Nb 23-27 wt%, Ti Gleichgewicht | ICP-OES |
| Sauerstoffgehalt | < 2000 ppm | Inertgasfusion |
| Stickstoffgehalt | < 500 ppm | Inertgasfusion |
| Kohlenstoffgehalt | < 1000 ppm | Analyse der Verbrennung |
| Wasserstoffgehalt | < 100 ppm | Inertgasfusion |
Die Anforderungen gewährleisten eine hohe Pulverqualität für die additive Fertigung, den Metallspritzguss und die Press- und Sinterverarbeitung.
Konstruktionsüberlegungen für Ti22Al25Nb-Teile
Bei der Verwendung von Ti22Al25Nb-Pulver müssen mehrere Konstruktionsfaktoren optimiert werden:
- Die Mindestwandstärke sollte 1-2 mm betragen, um eine ausreichende Festigkeit zu gewährleisten.
- Großzügige Verrundungen und tangentiale Übergänge sollten verwendet werden, um Spannungskonzentrationen zu vermeiden.
- Für eine einfache Pulverentfernung werden Entformungswinkel von ≥ 2° empfohlen.
- A-gesinterte Oberflächen haben eine geringere Oberflächengüte als geschmiedete Produkte; eine Nachbearbeitung kann erforderlich sein.
- Maßtoleranzen bis zu ±0,2% sind möglich, typisch sind jedoch ±0,5-1%.
- Eine Sinterdichte ≥ 95% ist erforderlich, um mechanische Eigenschaften zu erreichen, die denen von Knetlegierungen nahe kommen.
- Durch eine Wärmebehandlung kann die Festigkeit durch Ausscheidungshärtung weiter erhöht werden.
- Kritische Merkmale müssen möglicherweise durch heißisostatisches Pressen oder maschinelle Bearbeitung nachbearbeitet werden.
Die sorgfältige Berücksichtigung dieser Aspekte bei der Konstruktion ermöglicht die erfolgreiche und wirtschaftliche Herstellung von Hochleistungsbauteilen aus Ti22Al25Nb mittels pulvermetallurgischer Verfahren.
Normen für Ti22Al25Nb-Pulver
Ti22Al25Nb-Pulver muss den folgenden Normen entsprechen:
| Standard | Beschreibung |
|---|---|
| ASTM B981 | Standardspezifikation für Titanlegierungen in Pulverform für MIM |
| EN 10204 | Anforderungen an chemische Analysen und Prüfberichte |
| ISO 9001 | Anforderungen an das Qualitätsmanagementsystem |
| ISO 13485 | Qualitätsmanagement für Medizinprodukte |
| AMS 4967 | Zusammensetzungsgrenzen für Titanlegierungspulver |
Die Zertifizierung nach Normen für Chemie, Qualitätssysteme und Tests gibt den Kunden die Gewissheit, dass das Pulver die Spezifikationen für die jeweilige Anwendung erfüllt. Für Anwendungen in der Medizin und der Luft- und Raumfahrt gelten zusätzliche Anforderungen.
Lieferanten von Ti22Al25Nb-Pulver
Zu den weltweit führenden Anbietern von Ti22Al25Nb-Pulver gehören:
| Anbieter | Partikelgröße | Produktionsverfahren | Wesentliche Merkmale |
|---|---|---|---|
| AP&C | 15-45 μm | Plasma-Zerstäubung | Hochgradig kugelförmig, vorlegiert |
| TLS Technik | 10-75 μm | Gaszerstäubung | Kostengünstiges unregelmäßiges Pulver |
| Sandvik Fischadler | 45-150 μm | Gaszerstäubung | Gemischte und vorlegierte Optionen |
| Praxair | 15-105 μm | Gaszerstäubung | Kapazität für Großaufträge |
| Zimmerer-Zusatzstoff | 15-75 μm | Gaszerstäubung | Optimierte Partikelgrößenverteilung |
Faktoren wie Vorlaufzeit, Mindestbestellmenge und Standort sollten bei der Auswahl eines Lieferanten ebenfalls berücksichtigt werden. Um die Anforderungen der Anwendung zu erfüllen, kann eine zusätzliche Anpassung des Pulvers erforderlich sein.
Kostenvoranschlag für Ti22Al25Nb-Pulver
Ti22Al25Nb-Pulver ist aufgrund des höheren Niobgehalts und der geringeren Produktionsmengen teurer als Titangüten wie Ti-6Al-4V:
| Pulversorte | Partikelgröße | Preisspanne |
|---|---|---|
| Unregelmäßig | 15-75 μm | $200-300/kg |
| Sphärisch | 15-45 μm | $250-450/kg |
| Legiert | 15-75 μm | $300-500/kg |
| Plasma sphäroidisiert | 15-45 μm | $400-600/kg |
- Bei Großbestellungen von mehr als 100 kg sinken die Preise erheblich.
- Spezielle Siebe oder Mischungen zur Anpassung der Partikelgrößenverteilung erfordern einen Aufpreis.
- Hochwertige kugelförmige und vorlegierte Pulver haben einen höheren Preis.
- Die notierten Preise können aufgrund von Rohstoff- und Energiekosten im Laufe der Zeit schwanken.
Installation und Wartung von Ti22Al25Nb-Pulveranlagen
Bei der Installation von Pulverhandhabungssystemen und der Verarbeitung von Ti22Al25Nb-Pulver sollten besondere Praktiken beachtet werden:
| Tätigkeit | Verfahren |
|---|---|
| Lagerung | Versiegelte Behälter in einer trockenen (<50% RH) Umgebung bei 18-25°C lagern. First-in-first-out Bestandsmanagement. |
| Handhabung | Geeignete PSA verwenden - Handschuhe, Atemschutzmaske, Schutzbrille. Pulver vorsichtig einfüllen, um Verschütten zu vermeiden. Alle Geräte erden. |
| Einrichtung | Qualifizieren und validieren Sie alle Geräte. Prüfen Sie den Wiege-, Misch-, Dosier- und Siebvorgang. |
| Verarbeitung | Halten Sie sich genau an alle angegebenen Parameterrichtlinien. Überprüfen Sie regelmäßig den Zustand des Pulvers. |
| Wartung | Erstellen Sie einen Zeitplan für die vorbeugende Wartung. Prüfen Sie Dichtungen, Kontrollen und Filter regelmäßig. Unregelmäßigkeiten sofort beheben. |
| Sicherheit | Sicherstellen, dass Feuerlösch- und Explosionsschutzsysteme betriebsbereit sind. Erforderlichenfalls sind Sprengwände zu installieren. |
Eine ordnungsgemäße Installation, Bedienung und Wartung sind entscheidend für die sichere Handhabung von Titanpulver und die Vermeidung von Prozessstörungen.
Auswahl eines Ti22Al25Nb-Pulverlieferanten
Bei der Auswahl eines Lieferanten für Ti22Al25Nb-Pulver sind folgende Schlüsselfaktoren zu beachten:
- Technisches Fachwissen bei der Herstellung von Titanpulver, einschließlich Legierung, Gasverdüsung, Qualitätskontrolle
- Verschiedene Pulverarten und -größen - sphärisch, vorlegiert, gemischt, verschiedene Korngrößenverteilungen
- Qualitätszertifikate - ISO 9001, ISO 13485, AS9100 usw., die auf eine strenge Qualitätskontrolle hinweisen
- Batch-Testing-Fähigkeiten - chemische Analyse, Partikelgrößenanalyse, Mikroskopie, Dichte, Durchflussmenge
- Anpassungsfähigkeit - Fähigkeit, spezielle Partikeleigenschaften oder enge Toleranzen zu liefern
- Preisgestaltung - wettbewerbsfähige Preise sowohl für große als auch für kleine Abnahmemengen
- Vorlaufzeit - kurze Vorlaufzeiten, die für schnelle Forschung und Prototyping unerlässlich sind
- Bestandsaufnahme - eine gewisse Lagerverfügbarkeit bei Standardpulvern, um Vorlaufzeiten zu vermeiden
- Kundenbetreuung - reaktionsschnelle technische Unterstützung und offene Kommunikation
- Vertriebsnetz - geografische Nähe für geringere Transportzeiten und -kosten
Etablierte Titanpulverhersteller mit einer breiten Produktpalette und einem großen Lagerbestand können die Anforderungen am besten erfüllen.
Vor- und Nachteile von Ti22Al25Nb-Pulver
Vorteile
- Sehr hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht
- Ausgezeichnete mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen
- Gute Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit
- Ermöglicht leichte technische Komponenten
- Komponenten können schwere Stahl- oder Nickelteile ersetzen
- Kostengünstig im Vergleich zu anderen Titanlegierungen
- Etablierte Lieferantenbasis für Qualitätspulver
Benachteiligungen
- Höhere Kosten als bei Pulvern aus Stahl, Aluminium oder Nickellegierungen
- Schwierige Verarbeitung aufgrund der Reaktivität des Titans
- Sprödes Verhalten begrenzt Kaltumformung und Bearbeitung
- Erfordert ein hohes Maß an Prozesskontrolle und Bedienerwissen
- Nachbearbeitung oft erforderlich, um endgültige Teileigenschaften zu erreichen
- Begrenzte Anzahl von Lieferanten im Vergleich zu herkömmlichen Legierungen
Für Anwendungen, bei denen die Vorteile der geringen Dichte und Temperaturbeständigkeit die höheren Kosten aufwiegen, ist Ti22Al25Nb-Pulver eine attraktive Wahl. Die Verarbeitung erfordert jedoch strenge Kontrollen.
Vergleich von Ti22Al25Nb-, TA15- und Ti6Al4V-Pulvern
Ti22Al25Nb liegt von den Eigenschaften her zwischen TA15 und Ti6Al4V:
| Legierung | Dichte | Stärke | Duktilität | Oxidationsbeständigkeit | Temperatur verwenden | Kosten |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ti22Al25Nb | Niedrig | Hoch | Mittel | Gut | Hoch | Hoch |
| TA15 | Sehr niedrig | Mittel | Niedrig | Ausgezeichnet | Sehr hoch | Sehr hoch |
| Ti6Al4V | Mittel | Mittel | Hoch | Mäßig | Mittel | Niedrig |
- Ti22Al25Nb bietet die beste Allround-Kombination aus Festigkeit, Temperaturbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Kosten.
- TA15 wird für Anwendungen bei extremen Temperaturen verwendet, ist aber spröder.
- Ti6Al4V bietet eine höhere Duktilität, aber niedrigere Betriebstemperaturen.
Somit bietet Ti22Al25Nb ein optimales Gleichgewicht für die meisten kritischen rotierenden Komponenten in der Luft- und Raumfahrt, Turbinenschaufeln und andere Hochleistungsanwendungen.
FAQ
Was sind die wichtigsten Vorteile von Ti22Al25Nb gegenüber Nickelsuperlegierungen?
Ti22Al25Nb bietet eine um 40-50% geringere Dichte sowie wettbewerbsfähige mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen bis zu 750°C. Dies ermöglicht erhebliche Gewichtseinsparungen.
Welcher Korngrößenbereich wird für die additive Fertigung mit Ti22Al25Nb empfohlen?
In der Regel wird ein Partikelgrößenbereich von 15-75 μm empfohlen, wobei der Großteil zwischen 45-75 μm liegt, um eine gute Packung und Verteilung des Pulverbettes zu erreichen. Feinere Partikel unter 10 μm können Probleme verursachen.
Ist nach der additiven Fertigung mit Ti22Al25Nb ein isostatisches Heißpressen erforderlich?
Das HIP-Verfahren ist zwar nicht immer erforderlich, kann aber dazu beitragen, die Dichte zu maximieren, das Gefüge zu verfeinern und die mechanischen Eigenschaften zu verbessern. HIP wird für kritische Bauteile in der Luft- und Raumfahrt empfohlen.
Welche Art von Pulvern bietet die homogensten Eigenschaften von Ti22Al25Nb?
Vorlegierte gas- oder plasmagestäubte Pulver bieten die homogenste Verteilung der Legierungselemente und stabile Eigenschaften.
Wie sollte Ti22Al25Nb-Pulver gelagert werden?
Ti22Al25Nb-Pulver ist hochreaktiv und muss in versiegelten Behältern unter einer inerten Argon-Atmosphäre mit einem Feuchtigkeitsgehalt von unter 50% RH gelagert werden. Die Temperaturen sollten zwischen 18-25°C liegen.
Welche Sicherheitsvorkehrungen sind beim Umgang mit Ti22Al25Nb-Pulver erforderlich?
Beim Umgang mit reaktivem Titanpulver sind ein geschlossenes System unter Inertgas, angemessene PSA einschließlich Atemschutzmasken, eine elektrische Erdung aller Geräte, eine angemessene Schulung des Personals und Feuerlöschsysteme unerlässlich.
