Titanpulver: Herstellung, Eigenschaften, Auswahl

Übersicht

Titan-Pulver ist ein vielseitiger metallischer Werkstoff, der für seine einzigartige Kombination aus hoher Festigkeit, geringer Dichte, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität geschätzt wird. Als Pulver erleichtert Titan fortschrittliche Fertigungstechniken wie Metallspritzguss (MIM), additive Fertigung (AM), heißisostatisches Pressen (HIP) und pulvermetallurgisches Pressen und Sintern zur Herstellung komplexer Titanbauteile.

Zu den wichtigsten Anwendungen für Titanpulver gehören Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, medizinische Implantate, Automobilteile, Sportgeräte, chemische Verarbeitung und Verbraucherprodukte. Dieser Leitfaden bietet einen umfassenden Überblick über Titanpulver, einschließlich Produktionsmethoden, Legierungszusammensetzungen, Merkmale, Eigenschaften, Spezifikationen, Anwendungen und weltweite Lieferanten. Er soll Ingenieuren, Produktdesignern und technischen Programmmanagern bei der Auswahl und Verwendung von Titanpulvern helfen.

Titan-Pulver

Herstellung von Titanium-Pulver

Titanpulver wird mit den folgenden Hauptmethoden hergestellt:

Verfahren zur Herstellung von Titanpulver

  • Gaszerstäubung - Unter hohem Druck stehendes Inertgas zersetzt geschmolzenes Titan in kugelförmiges Pulver
  • Plasma-Zerstäubung - Titan-Elektrodenlichtbögen erzeugen ultrafeines, kugelförmiges Pulver
  • Hydrierung/Dehydrierung - Titanhydridpulver (TiO2) wird zu feinem Pulver dehydriert
  • Mechanisches Fräsen - Kugelmahlen zerlegt Titanspäne in unregelmäßige Partikel
  • Plasma-Sphäroidisierung - Unregelmäßiges Pulver, das im Plasma geschmolzen wird, um kugelförmige Formen zu erzeugen

Gaszerstäubung und mechanisches Mahlen sind die gebräuchlichsten Verfahren, bei denen kugelförmige bzw. kantige Pulverformen entstehen. Durch zusätzliche Siebung, Konditionierung und Vermischung werden anwendungsspezifische Partikelgrößenverteilungen erzeugt.

Zusammensetzungen von Titan-Pulver

Es gibt zwar kommerziell reine Titanpulver, aber die meisten Pulver für industrielle Zwecke enthalten geringe Mengen an Legierungselementen:

Übliche Titanpulver-Zusammensetzungen

LegierungPrimäre LegierungselementeWesentliche Merkmale
CP Titan99.5%+ TiAusgezeichnete Korrosionsbeständigkeit
Ti-6Al-4V6% Al, 4% VHohe Festigkeit, wärmebehandelbar
Ti-6Al-7Nb6% Al, 7% NbHohe Festigkeit, biokompatibel
Ti-5555% Al, 5% Mo, 5% VWärmebehandelbar, bearbeitbar
Ti-102310% V, 2% Fe, 3% AlHohe Festigkeit, gute Duktilität

Aluminium, Vanadium und Niob sind übliche Zusätze zur Verbesserung der Festigkeit und Verarbeitbarkeit. Auch Spuren von Bor, Kohlenstoff, Eisen und Sauerstoff kommen vor.

Durch die Legierung werden Mikrostruktur, Härte, Bearbeitbarkeit und andere Eigenschaften maßgeschneidert, während gleichzeitig eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit erhalten bleibt.

Eigenschaften des Titanpulvers

Zu den wichtigsten Eigenschaften von Titanpulver gehören:

Eigenschaften des Titanpulvers

CharakteristischTypische WerteBedeutung
Partikelgröße10 - 150 MikrometerSinterverhalten, Oberflächengüte
Partikelformkugelförmig, eckig, dendritischPulverfluss und Packungsdichte
Scheinbare Dichte1,5 - 4,0 g/ccVerhalten beim Drücken und bei der Handhabung
Dichte des Gewindebohrers2,5 - 4,5 g/ccIndikator für die Kompressibilität
Hall-Durchflussmenge25 - 35 s/50gFließfähigkeit des Pulvers
Verlust bei Zündung0,1 - 0,5 wt%Sauerstoff- und Feuchtigkeitsgehalt
PyrophorizitätKeineEntflammbarkeit und Vorsichtsmaßnahmen bei der Handhabung

Die Partikelgrößenverteilung und die Form des Pulvers haben einen erheblichen Einfluss auf den Pulverfluss, die Verdichtung, das Sinterverhalten und die Dichte von gepressten und gesinterten Teilen. Die scheinbare Dichte gibt die Kompressibilität des Pulvers an.

Eigenschaften von Titanpulvern

Zu den wichtigsten Eigenschaften von Titanpulver gehören:

Eigenschaften von Titan-Pulver

EigentumReines TiTi-6Al-4VTi-6Al-7Nb
Dichte4,5 g/cc4,43 g/cc4,52 g/cc
Zugfestigkeit240 MPa930 MPa900 MPa
Streckgrenze170 MPa860 MPa825 MPa
Dehnung24%10%15%
Elastischer Modul102 GPa114 GPa105 GPa
Härte80 HB334 HB321 HB
Wärmekapazität522 J/kg-K526 J/kg-K527 J/kg-K
Wärmeleitfähigkeit7,2 W/m-K7,2 W/m-K6,7 W/m-K

Durch die Legierung mit Aluminium, Vanadium und Niob werden Festigkeit und Härte deutlich erhöht. Die spezifischen Eigenschaften hängen stark vom endgültigen Gefüge ab.

Anwendungen von Titan-Pulver

Zu den wichtigsten Anwendungen für Titanpulver gehören:

Titanium Powder Anwendungen

IndustrieVerwendetWichtige Gründe
Luft- und RaumfahrtStrukturbauteile, Turbinenschaufeln, VerbindungselementeHohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht
MedizinischeOrthopädische Implantate, Zahnimplantate, chirurgische WerkzeugeBiokompatibilität, Korrosionsbeständigkeit
AutomobilindustriePleuelstangen, Ventile, Federn, BefestigungselementeGeringes Gewicht, Leistung
ChemischTanks, Rohre, Ventile, PumpenKorrosionsbeständigkeit
SportartikelGolfschläger, Fahrräder, HelmeFestigkeit, maßgeschneiderte mechanische Eigenschaften
PetrochemieBohrlochwerkzeuge, BohrlochkopfteileFestigkeit, Korrosionsbeständigkeit

Die einzigartigen Eigenschaften von Titan machen es attraktiv für die Gewichtsreduzierung von Luft- und Raumfahrtkomponenten bei gleichzeitiger Wahrung der mechanischen Integrität in extremen Umgebungen.

Hervorragende Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit sind ausschlaggebend für die Verwendung in orthopädischen und zahnmedizinischen Implantaten. Durch die Möglichkeit, die Eigenschaften von Titan individuell anzupassen, können Sportartikel mit speziellen Leistungsmerkmalen hergestellt werden.

Spezifikationen für Titanium Powder

Die Zusammensetzung und Qualität von Titanpulver wird durch verschiedene Standardspezifikationen festgelegt:

Titan-Pulver-Normen

StandardUmfangPartikelgrößeReinheitChemie
ASTM B348Unlegiertes Ti-Pulver Grad 1-4-635 Maschen99.5%, 99.9%, 99.95% TiO, C, N, H Grenzen
ASTM B801Ti-6Al-4V-Legierungspulver-635 MaschenTi-, Al- und V-ZusammensetzungsbereicheInterstitielle Grenzen
ISO 23301Additive Fertigung Ti-Pulver10-45 Mikrometer99.5%+ TiO, N, C, H, Fe-Grenzwerte
AMS 4992Ti-6Al-4V-Pulver in Luft- und Raumfahrtqualität-150 MaschenTi-, Al- und V-ZusammensetzungsbereicheInterstitielle Grenzen

Darin werden die zulässigen Gehalte an Legierungszusätzen, Verunreinigungen wie Sauerstoff/Stickstoff/Kohlenstoff, Partikelgrößenverteilungen und andere für verschiedene Anwendungen relevante Prüfverfahren festgelegt.

Globale Lieferanten von Titanium Powder

Viele große Unternehmen produzieren Titanpulver, aber auch kleinere regionale Hersteller:

Titanpulver Hersteller

AnbieterProduktionsmethodenMaterialienFähigkeiten
ATI-MetalleGaszerstäubungTi-6Al-4V, Ti-1023, reines TiBreites Legierungsspektrum, große Mengen
Praxair OberflächentechnologienGaszerstäubungTi-6Al-4V, CP TiKleine Lose, schnelle Lieferung
Zimmerer-ZusatzstoffGaszerstäubung, Hydrid-DehydridTi-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, reines TiSonderlegierungen, Kleinserien
AP&CPlasma-ZerstäubungCP Ti, Ti-LegierungenUltrafeines Pulver 10-45 Mikron
TeknaSphäroidisierung des PlasmasTi-6Al-4V, CP TiUmwandlung von Spänen in kugelförmiges Pulver
Baoji Hanz TitanHydridingCP Ti, Ti-6Al-4VNiedrige KostenChinesischer Hersteller

Viele liefern sowohl Standard- als auch kundenspezifische Legierungszusammensetzungen. Einige bieten die Lohnverarbeitung von Schrott und Spänen zu Pulver an.

Auswahl von Titan-Pulver

Zu den wichtigsten Überlegungen bei der Auswahl von Titanpulver gehören:

  • Zusammensetzung der Legierung - Ausgewogenheit der gewünschten Eigenschaften wie Festigkeit, Duktilität und Härte
  • Reinheitsgrad - Beeinflusst die mechanischen Eigenschaften und das Mikrogefüge
  • Größe und Form der Partikel - Beeinflusst Pulverfluss, Dichte, Oberflächengüte
  • Scheinbare Dichte und Klopfdichte - Zeigt die Kompressibilität und das Sinterverhalten an
  • Chemische Verträglichkeit - Für Einsatzbedingungen wie Säuren oder Salzwasser
  • Probenahmeverfahren - Repräsentative Prüfung von Pulverpartien
  • Qualitätszertifikate - ISO 9001, AS9100, usw.
  • Technisches Fachwissen vom Pulverhersteller

Muster und Prototypen helfen, neue Legierungen und Pulver für eine bestimmte Anwendung zu qualifizieren. Wir arbeiten eng mit renommierten Lieferanten zusammen, um gut charakterisiertes Titanpulver für optimale Ergebnisse zu erhalten.

Titan-Pulver

FAQ

Was ist der Vorteil von plasmagestäubtem Titanpulver?

Die Plasmazerstäubung erzeugt sehr kugelförmige, fließende Partikel mit einer Größe von typischerweise 10-45 Mikrometern. Dies ermöglicht eine hervorragende Sinterdichte und Oberflächengüte.

Warum ist Titanpulver pyrophor?

Pyrophore Titanpulver entzünden sich spontan an der Luft. Dies ist auf die extrem kleinen Partikelgrößen unter 10 Mikron zurückzuführen, die die Oberfläche und die Reaktivität stark vergrößern. Verwenden Sie für pyrophore Pulver Inertgas.

Wie beeinflusst die Partikelform die Eigenschaften von Titanpulver?

Kugelförmiges Pulver fließt gut und bietet eine höhere und einheitlichere Dichte und mechanische Eigenschaften. Unregelmäßiges Pulver bietet eine bessere Grünfestigkeit und Kompressibilität, aber eine weniger vorhersehbare Schrumpfung.

Welche Nachbearbeitungsschritte können die Wiederverwendung von Titanpulver verbessern?

Sieben, Mahlen und thermische Behandlungen ermöglichen die Wiederverwendung von Off-Spec-Pulvern. Die Plasmasphäroidisierung wandelt Späne und gröbere Partikel in kugelförmige Pulver um.

Welche Normen gelten für die additive Fertigung von Titanteilen?

ASTM F3001-14 behandelt die Charakterisierung und Qualitätskontrolle von Ti-Legierungspulver für AM. ASTM F2924-14 enthält Standardtestmethoden für die Bewertung der mechanischen Eigenschaften von AM-Titan.

Kann man eine Verbundstruktur aus Titan und Stahl in 3D drucken?

Ja, einige 3D-Metalldruckverfahren wechseln innerhalb eines Teils zwischen Titan- und Edelstahllegierungen, indem sie einen präzisen Materialwechsel vornehmen, um bimetallische Komponenten herzustellen.

Schlussfolgerung

Titanpulver bietet Ingenieuren dank der einzigartigen Eigenschaften des Metalls große Flexibilität bei der Herstellung von Hochleistungskomponenten. Die sorgfältige Auswahl der Pulvereigenschaften und die enge Zusammenarbeit mit erfahrenen Lieferanten ermöglichen optimale Ergebnisse bei vielen kritischen Anwendungen. Durch kontinuierliche Fortschritte werden die Möglichkeiten, die Qualität und die Kosteneffizienz der Titanpulvermetallurgie weiter ausgebaut.

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