チタン粉末積層造形（AM）は、航空宇宙、医療、自動車分野での高強度、軽量チタン部品の3Dプリントを可能にします。このガイドでは、チタンAMパウダーの組成、特性、噴霧製造法、用途、仕様、価格、比較について説明します。
概要 チタンAMパウダー
チタンAMパウダーとは、レーザー粉末床融合法（L-PBF）や直接エネルギー蒸着法（DED）のような付加製造プロセス用に特別に最適化された微細なチタン粒子を指します。
高純度（>99% Ti）、制御された粒度分布、および良好な流動特性を持つチタンAMパウダーは、薄い層に広げられ、層ごとにレーザーによって選択的に溶融され、ニアネットシェイプの3Dプリント部品に固化される前駆原料材料です。
チタンをAMにとって魅力的なものにしている主な特性：
- 高い強度対重量比
- 優れた耐食性
- 生体適合性と無毒性
- 高温に耐える能力
- カスタム形状も可能
- 設計の柔軟性によるコスト削減
- 買い取り率の改善
AMは、航空宇宙、医療、海洋、化学プロセス産業など、鍛造品や鋳造品にとどまらず、チタンの用途を拡大する。
チタンAMパウダーバリアントの組成
一般的なチタンAMパウダーの化学組成は以下の通りです：
表1： チタンAMパウダーの主な組成
| グレード | 構成 | 特徴 |
|---|---|---|
| Ti 6Al 4V ELI | 6% Al、4% V、0.08% max O | 最も広く使用されているチタン合金 |
| Ti 6Al 4V | 6% Al、4% V、0.2%max O | 航空宇宙用押出合金 |
| 純チタン | 99.7% Ti, 0.10%max O | インプラントに適した高い耐薬品性 |
| Ti 5553 | 5% Al、5% Mo、4% V | より高い強度 |
| Ti 64 | 6% Al, 4% V | 熱処理可能、ジェットエンジンに使用 |
酸素のほか、Fe、C、N、Hなどの微量不純物も最小限に抑えられている。合金は強度と耐熱性を提供し、純チタンは生体適合性を提供します。
Ti 5553やTi 64のような特殊合金は、能力強化を必要とする宇宙・防衛分野のニッチ用途に適している。
チタンAMパウダーの製造方法
ガスアトマイズは、AMプロセスに適した球状のチタン粉末を製造するために使用される、商業規模の主要なプロセスである：
表2： ガスアトマイズによるチタンAM粉末製造の概要
| ステップ | 説明 |
|---|---|
| 原料溶解 | 保護アルゴン中プラズマアークで溶解したチタンインゴット／屑 |
| 溶融注湯 | アトマイザーノズルに注がれる溶湯の流れ |
| ガス噴霧 | 高速不活性アルゴンジェットで溶融ストリームを微細液滴に分解 |
| パウダーコレクション | 球状粒子が固化し、チャンバー内に回収される。 |
| ふるい分け | 振動スクリーンを用いて分離された特定の粒度分布 |
窒素の代わりにアルゴンを使用した噴霧化により、粉末のコンタミネーションを最小限に抑えます。また、不活性ガスは発火の危険性を防ぎ、より安全な粉末の取り扱いを可能にします。
特殊なシステムは、100ミクロン未満の微粉の生成数を高め、パウダーベッドパッキングと層解像度を向上させることにより、AMプロセスの生産性を向上させます。
主な特性と特徴
チタンAMパウダーの主な特徴は以下の通りである：
表3： チタンAMパウダーが示す典型的な特性
| プロパティ | 特徴 |
|---|---|
| 純度 | >99%チタン含有量 |
| 不純物 | <1000 ppmの酸素が望ましい |
| 粒子形状 | 主に球形 |
| 粒子径 | 15-45ミクロン一般的 |
| 流量 | 28-35 s/50g ホール流量計レートが印刷性を助ける |
| タップ密度 | ≥2.5g/cc以上でベッド充填性が向上 |
| ハウスナー比 | <1.25は良好なパウダーフローを確保 |
| 見かけ密度 | 密度範囲の狭い分布 <5%の一貫性 |
化学組成のほかに、一貫した球形形態、滑らかな粒度分布、粉末の流動速度、密度などの粒子特性が、精密なAM印刷の採用率を決定する。
生体適合性、表面仕上げ、弾性率範囲、硬度、動的耐荷重に関連するアプリケーションのニーズを満たすには、従順な粉末の品質が重要です。
チタンAMパウダーの用途と使用例
チタンAMパウダーを使用した複雑で軽量なプリント部品は、以下のような重要な用途に使用されている：
表4： チタンAMパウダーの主な用途
| 産業 | アプリケーション |
|---|---|
| 航空宇宙 | タービンブレード、インペラ、機体およびエンジン部品 |
| メディカル | 整形外科用および歯科用インプラント、補綴物、手術器具 |
| 自動車 | コネクティングロッド、バルブ、ギアボックス部品 |
| ケミカル | カラム、触媒ハウジング、耐腐食性容器 |
| 石油・ガス | 海水配管/ポンプハウジング、海底部品 |
| ディフェンス | ヘリコプターのスピンドルのような戦闘車両のスペアをオンサイトで印刷 |
ラピッドプロトタイピングによるリードタイムの短縮、トポロジーの最適化による複雑な中空形状やバイオニック形状の作成能力、サブトラクティブプロセスが不要なことによる無駄の削減など、従来のチタン加工にはない利点があります。
仕様基準 チタンAMパウダー
チタンAMパウダーバッチを認定する世界的に認められた仕様には以下が含まれます：
表5： チタンAMパウダーの主な規格
| スタンダード | 測定側面と許容基準 |
|---|---|
| ASTM F3049 | レーザー回折、SEM、流動性、組成分析などの方法でテストされたAM粉末の属性を定義する |
| ASTM B809 | 粒度分布測定のためのふるい分析法を概説 |
| ISO 13879-1 | 可逆透水性（Hausner）試験手順を規定 |
| ASM F3301 | Eliグレード組成のような積層造形用チタン合金の規格 |
| AMS 7008 | ガスアトマイズチタン合金粉末の種類をカバーする航空宇宙材料仕様書 |
これらの規格は、各粉末ロットを特徴付けるための適切な試験方法、機器校正、測定手順、サンプリング計画、およびコンプライアンス基準を示している。
グローバル・サプライヤーと価格
チタンAMはまだ新興市場であるため、チタン粉末のコストは、まだ高い。 1kgあたり$70～$270 をベースにした：
表6： チタンAMパウダーの価格決定要因
| パラメータ | 価格動向 |
|---|---|
| 構成 | Ti 6 4 Eliグレード 最も高価 |
| 製造方法 | ガスアトマイズはプラズマアトマイズよりコストが高い |
| 真球度との整合性 | より高度な循環分配制御がコストを押し上げる |
| 粒度分布 | 流通公差プレミアムの厳格化 |
| 純度レベル | 酸素と窒素の不純物低減で価格上昇 |
| 注文数量 | 中量から多量の場合は割引が適用される |
表7： 世界の主なチタンAMパウダーサプライヤーと価格帯
| 会社概要 | グレード | 価格帯 |
|---|---|---|
| エーピーアンドシー | Ti 6 4, Ti 6 4 Eli | $100-270/kg |
| テクナ | Ti 6 4, Ti 6 4 Eli | $150-250/kg |
| カーペンター・テクノロジーズ | Ti 6 4 Eli、純Tiグレード | $80-220/kg |
| VSMPO | Ti 6 4, Ti 6 Al 4 バナジウム | $75-180/kg |
| ATI粉末冶金 | Ti 6 4 Eli, Ti Al Mo 合金 | $90-240/kg |
価格は、購入者の資格試験の程度、流通チャネルのマークアップ、適切な噴霧能力の有無によって異なる。
チタンと代替AM粉末の長所と短所の比較
表8： チタンと他の金属AMパウダーの比較
| パラメータ | チタン | ステンレス鋼 | アルミニウム合金 | インコネル |
|---|---|---|---|---|
| 密度 | 4.5 g/cc | 7.9 g/cc | 2.7 g/cc | 8.4 g/cc |
| 強さ | 高強度＋高剛性のコンビネーション | より強く | ミディアム・ストレングス | 最強 |
| コスト | $$ | 最低 | $ | $$$$ |
| 熱特性 | 導電率が低い | より高い温度に耐える | 高い導電性 | 最高温度耐性 |
| 耐薬品性 | 海水も含む | 一部の酸/塩化物に弱い | 塩にさらされると劣化する | 最高の耐食性 |
| マグネティック | 非磁性 | フェライト系グレードは磁性を持つ | 非磁性 | わずかに磁性がある |
| プリントの複雑さ | 中程度。 | 高い複雑性を実現 | トリッキーなオーバーハングと橋 | 非常に複雑な形状の印刷が可能 |
歯科インプラントや補綴物のような高硬度強度と共に生体適合性を必要とする用途には、チタンAMパウダーがオーダーメイドのソリューションを提供します。ステンレス鋼は高温蒸気ターボ機械部品に熱的に適しています。インコネルはニッチな耐食性ニーズに対応します。
よくあるご質問
Q: チタンAMパウダーの価格と入手可能性は、近い将来どのように変化すると予想されますか？
AM部品生産の成長に対応するため、今後10年間でより多くのガス噴霧能力が拡大するにつれて、競争の激化によりチタンAM粉末の価格と入手可能性のダイナミクスが改善され、より手頃な価格になります。機械価格の引き下げもまた、AMの採用を促進するでしょう。
Q: アズプリントAMチタン部品には、一般的にどのような後処理工程が必要ですか？
後処理には、機械加工/ブラストによるサポート除去、研磨タンブリングまたはガラスビーズピーニングによる表面処理が含まれ、応力を緩和し、仕上げ要件を確保します。オプション - 重要部品の複雑な内部構造をさらに緻密化するための熱間静水圧プレス（HIP）。
Q: 反応性チタンAMパウダーを取り扱う際、コンタミネーションを避けるにはどうすればよいですか？
皮膚油などに触れないように不活性ガス用手袋を使用する。鋼鉄には使用しないチタン専用のふるいを用意すること。オリジナルの不活性密閉容器に保管すること。室内雰囲気への暴露を制限する。長期保管よりも処理を優先すること。
Q: 一般的に、チタン粉末のサイズや合金を変更する場合、どのようなAM印刷パラメーターを調整する必要がありますか？
レーザースポットサイズに対する粉末層の厚みを合わせることは、最適なエネルギー入力に影響する。Ti 6 4と6 4 ELIの間の移行は、熱プロファイルに影響する。粉末サイズを大きくすると造形速度は向上しますが、分解能は低下します。
