Titanlegierungspulver

Überblick über Titanlegierungspulver

Titanlegierungen werden aufgrund ihres guten Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht, ihrer Korrosionsbeständigkeit, ihrer Biokompatibilität und ihrer Fähigkeit, extremen Umgebungsbedingungen standzuhalten, in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Schifffahrt und anderen anspruchsvollen Anwendungen eingesetzt.

In der Pulvermetallurgie und der additiven Fertigung, Titanlegierungspulver kann selektiv schichtweise geschmolzen oder gesintert werden, um komplexe, leichte Bauteile mit überlegenen mechanischen Eigenschaften herzustellen, die denen von traditionell verarbeiteten Knetlegierungen entsprechen oder diese sogar übertreffen.

Zu den gängigen Titanlegierungen, die in Pulverform erhältlich sind, gehören:

Titanlegierung Pulverzusammensetzung

Titanlegierungen, die in der Pulvermetallurgie verwendet werden, bestehen hauptsächlich aus Titan und Legierungselementen wie Aluminium, Vanadium, Eisen, Molybdän und anderen:

Legierung	Zusammensetzung
Ti-6Al-4V (Güteklasse 5)	6% Aluminium, 4% Vanadium, 0,25% (max) Eisen, 0,2% (max Sauerstoff), Rest Titan
Ti-6Al-7Nb	6% Aluminium, 7% Niob, Balance Titan
Ti-555 (Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe)	5% Aluminium, 5% Molybdän, 5% Vanadium, 3% Chrom, 0,5% Eisen, Rest Titan
Ti-1023 (Ti-10V-2Fe-3Al)	10% Vanadium, 2% Eisen, 3% Aluminium, Rest Titan

Eigenschaften des Titanlegierungspulvers

Zu den wichtigsten Merkmalen von Titanlegierungspulvern gehören:

Eigentum	Bedeutung
Partikelgrößenverteilung	30-150 μm für die meisten additiven Verfahren; beeinflusst Dichte, Präzision und Oberflächengüte
Sphärizität und Form	Hochgradig sphärische Morphologie verbessert Fließfähigkeit und Packungsdichte
Reinheit	>99,5%, sauerstoffarm, wichtig zur Erzielung mechanischer Eigenschaften
Durchflussmenge	>25 s/50 g; beeinträchtigt Wiederbeschichtung und Gleichmäßigkeit der Schicht
Scheinbare Dichte	>2,5 g/cc; bezieht sich auf die endgültige Bauteildichte
Hausner-Verhältnis	<1,25; zeigt die Fließfähigkeit des Pulvers an

Anwendungen von Titanlegierungspulver

Die additive Fertigung mit Titanlegierungspulvern erstreckt sich auf verschiedene Branchen:

Industrie	Anwendungen
Luft- und Raumfahrt	Strukturelle Komponenten der Flugzeugzelle, Triebwerksteile, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind
Medizinische	Orthopädische und zahnmedizinische Implantate, Prothetik, chirurgische Instrumente
Automobilindustrie	Pleuelstangen, Turboladerräder, Ventile und Ventilfedern
Chemisch	Wärmetauscher, Ventile, Rohrleitungen und Reaktionsbehälter
Erdöl	Bohrlochwerkzeuge für korrosive Umgebungen mit hohem Druck

Spezifikationen für Titanlegierungspulver

Wichtige Normen für die Zusammensetzung, Verunreinigungen und Kontamination von Titanlegierungspulvern:

Standard	Abgedeckte Pulversorten
ASTM B348	Titan-Knetlegierungen der Grade 1 bis 48
ASTM F67	Unlegiertes, Alpha-Beta- und Beta-Titan für chirurgische Implantate
ASTM F2924	Ti-6Al-4V für die additive Fertigung
ASTM F3001	Ti-6Al-4V ELI (extra niedrige Zwischengitterstruktur) für AM

Lieferanten von Titanlegierungspulvern

Viele etablierte Unternehmen stellen weltweit Pulver aus Titanlegierungen für die additive Fertigung her:

Unternehmen	Angebotene Klassenstufen	Preisgestaltung
AP&C	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI	$350-$500 pro kg
TLS Technik	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr	$250-$450 pro kg
Tekna	Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-7Nb, Sonderlegierungen	$400-$600 pro kg
Metalysis	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti-64, Sonderlegierungen	$300-$450 pro kg

Vergleich zwischen Titanlegierungspulvern

Hauptunterschiede zwischen den gängigsten Titanlegierungen Ti-64 und Ti-64 ELI:

Parameter	Ti-6Al-4V (Ti-64)	Ti-6Al-4V ELI
Sauerstoffgehalt	Bis zu 0,20 wt%	Weniger als 0,13 wt%
Eisengehalt	Bis zu 0,30 wt%	Weniger als 0,25 wt%
Mechanische Festigkeit	Hoch	Mittel
Duktilität	Mittel	Sehr hoch
Ermüdungsfestigkeit	Mittel	Sehr hoch
Bruchzähigkeit	Mittel	Hoch
Kosten pro kg	Unter	Höher

Vorteile der additiven Fertigung mit Titanlegierungspulver

Die wichtigsten Vorteile von AM-Prozessen, die Titanlegierungspulver als Ausgangsmaterial verwenden:

• Fähigkeit zur Herstellung leichter, kundenspezifischer, topologieoptimierter Geometrien
• Erhebliche Verringerung des Rohstoffabfalls im Vergleich zu subtraktiven Verfahren
• Benötigt keine teuren Werkzeuge, Formen oder Bearbeitungsvorrichtungen
• Die Teile weisen eine gleichwertige oder bessere Ermüdungsfestigkeit und Bruchzähigkeit auf als gegossene und geschmiedete Teile.
• Hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, ideal für die Konstruktion von Luft- und Raumfahrtkomponenten
• Abgestufte Zusammensetzungen und fortschrittliche Legierungsmischungen können leicht maßgeschneidert werden
• Just-in-time-Fertigung mit geringen Mindestbestellmengen möglich

Herausforderungen im Zusammenhang mit der additiven Fertigung unter Verwendung von Titanlegierungspulvern

Einige Einschränkungen müssen bei der Einführung von Titan-AM in verschiedenen Branchen berücksichtigt werden:

• Hohe Materialkosten aufgrund der energieintensiven Gewinnung und Verarbeitung des Pulvers
• Beseitigung von Eigenspannungen zur Vermeidung von Verformungen und Rissen nach der Fertigstellung
• Zusätzliche HIP- und Endbearbeitung oft notwendig, um kritische Toleranzen zu erreichen
• Die Handhabung reaktiver Pulver erfordert Schutzatmosphären und -verfahren
• Da sich die Schwindung nur schwer genau vorhersagen lässt, ist eine Kompensation bei der Konstruktion unerlässlich.
• Optimierung der thermischen Parameter und der zur Begrenzung der Anisotropie erforderlichen Scan-Strategien

FAQ

F: Welches Pulver aus einer Titanlegierung wird am häufigsten bei AM verwendet?

A: Auf Ti-6Al-4V (Grad 5) entfallen über 50% der gesamten additiven Titanherstellung, was auf seine hervorragenden mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit zurückzuführen ist. Ti-6Al-4V ELI ist auch wegen seiner hervorragenden Duktilität und Bruchzähigkeit beliebt.

F: Entstehen bei der additiven Fertigung mit Titanlegierungen poröse oder dichte Teile?

A: Auf der Grundlage der Verarbeitungsparameter kann beides erreicht werden. Während eine hohe Dichte von über 99% mit Eigenschaften, die denen von Massenlegierungen entsprechen, für strukturelle Anwendungen bevorzugt wird, ermöglicht eine kontrollierte Porosität zwischen 30-70% orthopädischen Implantaten, das Einwachsen von Gewebe zu fördern, was zu einer besseren Osseointegration als bei Vollmetall führt.

F: Welche Partikelgrößenverteilung ist für Pulver aus Titanlegierungen bei AM optimal?

A: Üblich sind 20-63 Mikrometer, wobei die ideale Mindestpartikelgröße über 15 Mikrometer liegt, um das Risiko der Pyrophorizität zu begrenzen. Obwohl feinere Pulver unter 30 Mikron eine bessere Auflösung und Oberflächengüte ermöglichen, können extrem feine Partikel den Pulverfluss beeinträchtigen, was zu schlechter Wiederbeschichtung und Dichteproblemen beim Druck führt.

F: Wie werden nicht verwendete Titanlegierungspulver nach der additiven Fertigung wiederverwendet?

A: Sie werden durch Klassierer geleitet, um brauchbare Fraktionen auszusieben, die den Spezifikationen für Größe und Form entsprechen. Diese werden dann mit etwas frischem Pulver in kontrollierten Verhältnissen gemischt, um die chemische Zusammensetzung zu erhalten. Durch diese Art des Recyclings nach mehrfacher Wiederverwendung erhält das Titanpulver eine optimale Kugelform und Fließfähigkeit, die für eine hervorragende Gleichmäßigkeit der Schichten beim Bau sorgt.

F: Warum benötigt die Baukammer beim Drucken von Titanlegierungen eine inerte Argonatmosphäre?

A: Titan ist bei hohen Temperaturen sehr reaktiv und absorbiert leicht Gase wie Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff, was zur Versprödung und zur Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führt. Es wird empfohlen, den Sauerstoffgehalt unter 25 ppm zu halten. Eine Inertgasumgebung verhindert die Verunreinigung von hochreinen Titanlegierungen während des Additivdrucks.

F: Welche Nachbearbeitungsmethoden werden bei additiv gefertigten Titanbauteilen eingesetzt?

A: Die Entfernung von Trägern durch NaOH- oder HCl-Bäder, spannungsabbauende Wärmebehandlung, HIP und Fertigbearbeitung werden routinemäßig eingesetzt. Weitere fortschrittliche Techniken sind die Oberflächenstrukturierung, die Kollagen-Mikromusterung von Implantaten, die Härtung durch Kugelstrahlen, die Oberflächenanodisierung und das Aufbringen bioaktiver Beschichtungen durch thermisches Spritzen oder Laserauftragschweißen.

F: Welche Leitlinien gibt es für den sicheren Umgang mit Titanlegierungspulvern?

A: Die Verwendung eigensicherer elektrischer Geräte, die Minimierung der statischen Aufladung durch Erdung, die Lagerung in inerten Originalbehältern und die Vermeidung von Atmosphäreneinwirkung sind unerlässlich. Bei der Handhabung sind Gesichtsmasken und Schutzkleidung erforderlich. Bei speziellen Medien wie Graphitpulver, das für reaktive Pulverbrände geeignet ist, muss eine Feuerlöschausrüstung getragen werden.

mehr über 3D-Druckverfahren erfahren