طباعة مسحوق التيتانيوم ثلاثي الأبعاد هو معدن قوي وخفيف الوزن ومقاوم للتآكل ومثالي للطباعة ثلاثية الأبعاد للأجزاء المعقدة والمتينة في مجالات الطيران والسيارات والتطبيقات الطبية وغيرها من التطبيقات المتقدمة. تقدم هذه المقالة نظرة عامة شاملة عن تعدين مسحوق التيتانيوم وخصائصه وتطبيقاته وموردي التصنيع الإضافي باستخدام التيتانيوم.
نظرة عامة على طباعة مسحوق التيتانيوم ثلاثي الأبعاد
يُعد التيتانيوم مادة مرغوبة للطباعة ثلاثية الأبعاد نظرًا لارتفاع نسبة القوة إلى الوزن ومقاومته للتعب والكسر وتوافقه الحيوي. وتسمح مساحيق التيتانيوم بطباعة الأجزاء عن طريق عمليات دمج قاع المسحوق مع ميزات دقيقة وأشكال هندسية معقدة.
درجات التيتانيوم: تشتمل سبائك التيتانيوم شائعة الاستخدام في صناعة الصلب الصلب على Ti-6Al-4V (Ti64) وTi64 ELI وTi64 النقي تجاريًا (CP) Ti درجة 2 وTi 6242.
إنتاج المسحوق: يتم إنتاج مسحوق التيتانيوم عن طريق الانحلال الغازي حيث يتم ترذيذ التيتانيوم المنصهر بواسطة نفاثة غاز خامل إلى جسيمات كروية دقيقة ذات توزيع حجمي محكم. وتُستخدم أيضًا عملية القطب الدوار بالبلازما (PREP).
أحجام المسحوق: تتراوح أحجام المساحيق النموذجية من 15-45 ميكرون. تتيح المساحيق الأدق حوالي 15 ميكرون دقة أفضل بينما تتيح المساحيق الخشنة 45 ميكرون معدلات بناء أعلى.
قابلية التدفق وإعادة الاستخدام: يضفي الشكل الكروي وتوزيع الحجم المتحكم فيه قابلية تدفق جيدة. يمكن عادةً إعادة استخدام مسحوق التيتانيوم حتى 10-20 مرة إذا تم التعامل معه بشكل صحيح.
السلامة: مسحوق التيتانيوم قابل للاشتعال بدرجة كبيرة ويتفاعل مع الهواء بسبب طبيعته الحارقة. المناولة السليمة في جو خامل أمر بالغ الأهمية.
التركيب والبنية المجهرية
تحدد تركيبة مسحوق التيتانيوم والبنية المجهرية والمراحل الموجودة والعيوب مثل المسامية الخصائص النهائية للأجزاء المطبوعة.
التركيب العنصري
| سبيكة | التيتانيوم | ألومنيوم | الفاناديوم | حديد | الأكسجين | النيتروجين | الهيدروجين |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V | الرصيد | 5.5-6.5% | 3.5-4.5% | <؛ 0.3% | 0.2% | 0.05% | <0.015 في المائة |
| Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo | الرصيد | 5.5-6.5% | – | – | – | – | – |
| CP الصف 2 Ti | 99.2% كحد أدنى | – | – | 0.3% كحد أقصى | 0.25% كحد أقصى | 0.03% كحد أقصى | 0.015% كحد أقصى |
المراحل: تحتوي سبائك التيتانيوم على مزيج من المراحل المكعبة المتقاربة سداسية الشكل ألفا ومراحل مكعبة متمركزة في الجسم بيتا. يمكن أن تولّد معدلات التبريد في AM مراحل غير متوازنة.
العيوب: يمكن أن يحدث نقص في الانصهار والمسامية والتشققات الدقيقة وتدهور الخواص الميكانيكية. يساعد الكبس المتساوي الحرارة (HIP) على تقليل العيوب وتحسين الاتساق.
بنية الحبيبات: تُرى الحبيبات العمودية السابقة-β على طول اتجاه البناء في سبائك التيتانيوم AM بسبب التصلب السريع والنمو الفوقي. يؤثر عرض الحبيبات العمودية على القوة.
خشونة السطح: تؤدي عمليات انصهار قاع المسحوق إلى أسطح شبه ناعمة عند الطباعة بسبب جزيئات المسحوق الذائبة جزئيًا. غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى تشطيب إضافي.
الخصائص الرئيسية
تتأثر خصائص أجزاء التيتانيوم المطبوعة بالتركيب والمسامية وخشونة السطح واتجاه البناء والمعالجة الحرارية واتجاه الاختبار.
الخصائص الفيزيائية
| الممتلكات | Ti-6Al-4V | CP الصف 2 Ti |
|---|---|---|
| الكثافة (جم/سم مكعب) | 4.42 | 4.51 |
| نقطة الانصهار (درجة مئوية) | 1604-1660 | 1668 |
الخواص الميكانيكية
| الممتلكات | كما هو مطبوع | الضغط المتساوي الحرارة الساخن المتساوي الضغط (HIP) | مطحنة مشغولة بالصلب |
|---|---|---|---|
| قوة الشد (ميجا باسكال) | 900-1300 | 950-1150 | 860-965 |
| قوة الخضوع (ميجا باسكال) | 800-1100 | 825-900 | 790-870 |
| الاستطالة عند الكسر (%) | 5-15 | 8-20 | 15-25 |
| الصلابة (HRC) | 32-44 | 32-36 | 31-34 |
مزايا
- نسبة عالية من القوة إلى الوزن
- يحتفظ بالقوة في درجات الحرارة المرتفعة
- مقاوم للإجهاد والتآكل والتآكل
- خامل بيولوجي –؛ مناسب للغرسات الطبية
- يمكن أن تتحمل علاجات التعقيم
محددات
- مواد باهظة الثمن ومعالجة AM
- مسحوق تفاعلي وقابل للاشتعال
- الخصائص متباينة الخواص
- ليونة أقل من الأشكال المشغولة
تطبيقات قطع التيتانيوم المصنعة بشكل إضافي
تعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد على توسيع نطاق استخدامات التيتانيوم في مكونات أخف وزناً وأقوى وأعلى أداءً في مختلف الصناعات.
الفضاء الجوي: شفرات التوربينات، وهياكل هياكل الطائرات والمحركات، والهوائيات، والمبادلات الحرارية
السيارات: قضبان التوصيل، والصمامات، والصمامات، وعجلات الشاحن التوربيني، ومكونات مجموعة الحركة
الخدمات الطبية وطب الأسنان: غرسات تقويم العظام، والأطراف الصناعية، والأدوات الجراحية، والأجهزة المطابقة للمريض
النفط والغاز: الأنابيب والصمامات ومكونات فوهة البئر والفواصل المقاومة للتآكل
السلع الاستهلاكية: المعدات الرياضية مثل إطارات الدراجات ورؤوس مضارب الجولف وإطارات النظارات
الأدوات: قنوات تبريد مطابقة خفيفة الوزن مدمجة في قوالب حقن المعادن والرقع والتركيبات
مشهور طباعة مسحوق التيتانيوم ثلاثي الأبعاد للصباح
| سبيكة | التطبيقات | قابلية الطباعة | تشطيب السطح | الخواص الميكانيكية |
|---|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V ELI | مكونات الفضاء الجوي، الغرسات الطبية الحيوية | ممتاز | معتدل | قوة عالية، وصلابة، وعمر إجهاد عالٍ |
| Ti-6Al-4V | الأجزاء الهيكلية للطيران والفضاء، والسيارات | جيد جداً | معتدل | القوة، صلابة الكسر |
| تي 6242 | المكونات ذات درجة الحرارة العالية | جيد | فقير | القوة عند 300 درجة مئوية، مقاومة الزحف |
| تيتانيوم CP درجة 2 | الغرسات الطبية والمصانع الكيميائية | معتدل | جيد جداً | الليونة ومقاومة التآكل |
المواصفات والمعايير
يتم فرض متطلبات جودة صارمة لمسحوق التيتانيوم والأجزاء المطبوعة وفقاً لمعايير الطيران والمعايير الطبية.
مواصفات المسحوق
| المعلمة | المتطلبات | طريقة الاختبار |
|---|---|---|
| حجم الجسيمات | 15-45 ميكرومتر | حيود الليزر |
| الكثافة الظاهرة | ≥ 2.7 جم/سم مكعب | مقياس التدفق الهوائي |
| كثافة الحنفية | ≥ 3.2 جم/سم مكعب | جهاز اختبار كثافة الحنفية |
| معدل التدفق | 15-25 ثانية/50 جم | مقياس التدفق الهوائي |
| التركيب الكيميائي | شهادة التحليل | GDMS، ICP-MS |
معايير تأهيل الأجزاء
| قياسي | التفاصيل |
|---|---|
| ASTM F3001 | قياسي لأجزاء التيتانيوم AM |
| ASTM F2924 | سبيكة التيتانيوم Ti-6Al-4V ELI |
| ASTM F3184 | مسحوق سبائك التيتانيوم اللقيم |
| AMS7009 | مواصفات المواد الفضائية الجوية |
| آيزو 13485 | الأجهزة الطبية –؛ إدارة الجودة |
مبادئ التصميم لتيتانيوم AM
يُعد التصميم المناسب للمكونات أمراً بالغ الأهمية للاستفادة من مزايا التصنيع باستخدام التيتانيوم المضاف.
- تقليل البروزات المتراكمة لتجنب هياكل الدعم
- توجيه الأجزاء لتمكين إزالة المسحوق بشكل أسهل
- السماح بالمعالجة اللاحقة مثل HIP والتشغيل الآلي
- تضمين قنوات مدمجة للتبريد المطابق
- دمج التجميعات في أجزاء واحدة من التيتانيوم
- تدعيم مناطق الضغط العالي بشبكات من الشباك
- تحسين الأشكال لتقليل الوزن من خلال تحسين الطوبولوجيا
موردو طباعة مسحوق التيتانيوم ثلاثي الأبعاد
| المورد | الدرجات المقدمة | أحجام المسحوق | الخدمات الإضافية |
|---|---|---|---|
| AP&C | Ti-6Al-4V، Ti-6Al-4V ELI، Ti64، CP-Ti من الصفوف 1-4 | 15-45 ميكرومتر | التحليل، والاختبار، والنخل، والمزج، والتخزين |
| مضافات النجار | Ti-6Al-4V، Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo | 15-45 ميكرومتر | السبائك المخصصة، وتطوير المعلمات |
| تقنية LPW | Ti-6Al-4V ELI، Ti-6Al-4V، Ti-6Al-4V، CP-Ti الدرجة 2 | 15-45 ميكرومتر | اختبار المواد، تحليل إعادة استخدام المسحوق |
| براكسير | Ti-6Al-4V، Ti-6Al-4V ELI | 15-100 ميكرومتر | النخل والمزج والتخزين |
| ساندفيك | سبائك التيتانيوم أوسبري | 15-45 ميكرومتر | إدارة دورة حياة المسحوق |
التكلفة: ~حوالي 500 دولار أمريكي - 1000 دولار أمريكي للكيلوغرام الواحد، ولكن ذلك يعتمد على حجم الطلب، والدرجة، وتوزيع الحجم، وطريقة الانحلال الغازي، والمناولة الإضافية، ومتطلبات الاختبار.
أسئلة وأجوبة
س: ما هي الطرق التي يمكن استخدامها لطباعة أجزاء التيتانيوم ثلاثية الأبعاد؟
ج: تتم طباعة التيتانيوم في المقام الأول عن طريق الانصهار القاعي للمسحوق باستخدام الذوبان الانتقائي بالليزر (SLM) والذوبان بالحزمة الإلكترونية (EBM). كما أن الطرق القائمة على الأسلاك مثل الترسيب المعدني بالليزر (LMD) والترسيب بالطاقة الموجهة القائمة على اللحام (DED) ممكنة أيضًا ولكنها أقل شيوعًا.
س: هل يتطلب مسحوق التيتانيوم المستخدم في صناعة الصلب المكافئ تخزيناً أو مناولة خاصة؟
ج: نعم، يتفاعل التيتانيوم بسهولة مع الهواء، لذا يجب تخزين المسحوق ومعالجته في جو خامل باستخدام غاز الأرجون أو غاز النيتروجين. يجب تجنب البيئات القابلة للاشتعال ومصادر الاشتعال. يجب على المشغلين ارتداء معدات واقية عند التعامل مع مسحوق التيتانيوم.
س: ما الذي يسبب مشاكل المسامية في أجزاء التيتانيوم المصممة على شكل AM؟
ج: تؤدي معدلات التبريد العالية إلى انحباس الغازات مما يتسبب في نقص عيوب الاندماج. يلزم تحسين المعلمات مثل الطاقة والسرعة وتباعد الفتحات وإزاحة التركيز وكثافة طبقة المسحوق لتقليل المسامية. يمكن أن يساعد الكبس المتساوي الحرارة (HIP) أيضًا في تكثيف الأجزاء بعد الطباعة الأولية.
س: لماذا يصعب تحقيق أسطح التيتانيوم الملساء مباشرةً بعد المعالجة بالتصنيع الإضافي؟
ج: يمكن أن يلتصق مسحوق التيتانيوم المذاب جزئياً بالأسطح مسبباً تشطيباً خشناً. تُعد عمليات السحب والسفع الرملي والطحن والطحن والطحن والتلميع عمليات ثانوية تُستخدم لتنعيم الأجزاء المطبوعة من التيتانيوم. كما تُستخدم أيضاً عمليات التشطيب الكيميائي أو الكهروكيميائي.
س: هل يمكنك طباعة التيتانيوم النقي التجاري ثلاثي الأبعاد؟
ج: نعم، يمكن استخدام مسحوق التيتانيوم CP غير المخلوط من الدرجة 1 إلى 4 الذي يفي بمعايير ASTM مثل B348 للتركيب وتوزيع حجم الجسيمات لطباعة مكونات التيتانيوم النقي للتطبيقات التي تحتاج إلى ليونة عالية مثل غرسات العظام والمصانع الكيميائية.