Titanlegierungspulver beziehen sich auf metallische Werkstoffe auf Titanbasis in Pulverform, die für additive Fertigungsverfahren wie selektives Lasersintern (SLS) und Elektronenstrahlschmelzen (EBM) verwendet werden. Die Pulvermetallurgie ermöglicht die Herstellung komplexer Titanbauteile mit überlegenen mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu Knetprodukten.
Titanlegierungen werden wegen ihres guten Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht, ihrer Ermüdungsfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit geschätzt. Wenn sie zu feinen Pulvern verarbeitet werden, können sie für den 3D-Druck komplizierter und leichter Teile für die Luft- und Raumfahrt, die Medizin, die Zahnmedizin, die Automobilindustrie und andere Anwendungen verwendet werden.
Dieser Leitfaden bietet einen umfassenden Überblick über verschiedene Arten von Titanlegierungspulvern, ihre Eigenschaften, Anwendungen, Spezifikationen, Lieferanten, Kosten, Installation, Betrieb und Wartung von pulverbasierten AM-Anlagen und vieles mehr.
Arten von Titanlegierungspulvern
Titanlegierungen werden im Allgemeinen in Alpha-, Alpha-Beta- und Beta-Legierungen eingeteilt. Zu den gängigen Titanpulvern gehören:
| Typ | Zusammensetzung | Merkmale |
|---|---|---|
| ti-6al-4v | 6% Aluminium, 4% Vanadium | Alpha-Beta-Legierung, die aufgrund ihrer Festigkeit und Schweißbarkeit am häufigsten für Bauteile in der Luft- und Raumfahrt verwendet wird |
| Ti-6Al-7Nb | 6% Aluminium, 7% Niob | Alpha-Beta-Legierung, höhere Festigkeit als Ti-6Al-4V |
| Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr | je 5 % Aluminium, Molybdän, Vanadium und Chrom | Alpha-nahe Legierung, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit |
| Ti-5553 | 5% Aluminium, 5% Molybdän, 4% Niob, 3% Vanadium, 1% Zirkonium | Beinahe-Alpha-Legierung, die aufgrund ihrer Ermüdungsfestigkeit für Kompressorteile verwendet wird |
| Ti-10V-2Fe-3Al | 10% Vanadium, 2% Eisen, 3% Aluminium | Beta-Legierung, höchste Festigkeit aller Titanlegierungen, aber geringere Duktilität |
Merkmale von Titanlegierungspulvern
Hauptmerkmale von Titanlegierungspulvern:
| Charakteristisch | Einzelheiten |
|---|---|
| Partikelform | Meistens kugelförmig, einige unregelmäßige Formen, beeinflusst Fließfähigkeit und Packungsdichte |
| Partikelgrößenverteilung | Enge Verteilung zwischen 15-45 Mikron üblich, beeinträchtigt die Dichte und Qualität des Endprodukts |
| Fließfähigkeit | Abhängig von Form, Größenverteilung, Oberflächenstruktur – Verbesserung durch Sphäroidisierung und Fließmittel |
| Scheinbare Dichte | Etwa 2,5-3,5 g/cc je nach Zusammensetzung und Verarbeitungsmethode – höher ist besser |
| Zapfstellendichte | Etwa 60-80% der theoretischen Dichte basierend auf der Packung – eine höhere Dichte verbessert die endgültige Bauteildichte |
| Oxidgehalt | Liegt als dünne Oberflächenschicht vor, höhere Werte können Defekte in den fertigen Teilen verursachen |
| Wiederverwertbarkeit | Abhängig von der Sauerstoff- und Stickstoffaufnahme – oft sind bis zu 20 Wiederverwendungszyklen möglich |
Anwendungen von Titanlegierungspulvern
Pulver aus Titanlegierungen werden zur additiven Fertigung kritischer Komponenten in verschiedenen Branchen verwendet:
| Industrie | Anwendungen |
|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Strukturelle Flugzeugkomponenten, Triebwerksteile, Flugzeugzellen, Turbinen |
| Medizinische | Orthopädische und zahnmedizinische Implantate, Prothetik, chirurgische Instrumente |
| Automobilindustrie | Motorteile, Komponenten des Antriebsstrangs, Teile unter der Motorhaube |
| Industriell | Werkzeug- und Formenbau, Robotik, Fertigungsausrüstung |
| Öl und Gas | Ventile, Pumpen, Brunnenkopfkomponenten, Rohre |
| Chemisch | Prozessausrüstung, Reaktoren, Wärmetauscher |
Zu den Vorteilen gehören Gewichtseinsparungen, kundenspezifische Anpassungen, vereinfachte Baugruppen, schnelleres Prototyping und geringere Lebenszykluskosten im Vergleich zur herkömmlichen Fertigung.
Spezifikationen von Titanlegierungspulvern
Pulver aus Titanlegierungen müssen für den Einsatz in AM-Prozessen strenge chemische, physikalische und mikrostrukturelle Spezifikationen erfüllen:
| Parameter | Typische Spezifikation |
|---|---|
| Reinheit | 99% Titan, geringe O-, C-, N- und H-Kontamination |
| Partikelform | Überwiegend kugelförmig |
| Partikelgröße | 15 bis 45 Mikrometer |
| Größenverteilung | D10 > 10 Mikron, D90 < 100 Mikron |
| Scheinbare Dichte | 2,5 g/cc |
| Zapfstellendichte | >3,5 g/cc |
| Hausner Ratio | <1.25 |
| Durchflussmenge | >25 s/50 g |
| Oberflächenoxid | <3000 ppm |
| Schüttsauerstoff | <2000 ppm |
| Stickstoff | <400 ppm |
| Wasserstoff | <150 ppm |
| Mikrostruktur | Alpha-, Alpha-Beta- oder Beta-Phase |
Die Einhaltung der Qualitätsstandards für Pulver ist entscheidend für eine fehlerfreie Verarbeitung, gute mechanische Eigenschaften und eine gute Oberflächenqualität.
Lieferanten von Titanlegierungspulvern
Zu den weltweit führenden Anbietern von Titanlegierungspulvern gehören:
| Anbieter | Pulversorten | Qualitätsstandards |
|---|---|---|
| AP&C | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr | ASTM B348, ASTM F2924, ASTM F3049 |
| Zimmerer-Zusatzstoff | Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-4V, Ti 6-4, Ti CP2, Ti SP700 | ASTM F2924, ASTM F3001 |
| LPW-Technologie | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-7Nb, Ti 5553 | ASTM F2924, ISO 23301 |
| Praxair | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti CP-2, Beta-C | ASTM F2924, ASTM F3001 |
| TLS Technik | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr | ASTM F2924, ASTM F3001 |
Für bestimmte Anwendungen können auch Spezialqualitäten beschafft werden.
Kosten von Titanlegierungspulvern
Die Kosten für Titanlegierungspulver variieren je nach:
| Faktor | Einzelheiten |
|---|---|
| Zusammensetzung der Legierung | Ti-6Al-4V am häufigsten und wirtschaftlichsten |
| Qualitätsstufe | Luft- und Raumfahrtqualitäten teurer als Industriequalitäten |
| Auftragsvolumen | Pulverpreis sinkt bei höheren Mengen |
| Partikelgrößenbereich | Feine Pulver unter 30 Mikron sind teurer |
| Anbieter | Preisunterschiede zwischen den Marken |
| Methode der Verarbeitung | Gaszerstäubte Pulver sind teurer als plasmagestäubte |
Typische Preisspannen:
- Ti-6Al-4V: $150 bis $450 pro kg
- Ti-6Al-4V ELI: $250 bis $600 pro kg
- Ti-6Al-7Nb: $400 bis $750 pro kg
- Ti 5553: $500 bis $800 pro kg
Das Recycling von Titanschrott kann die Kosten um 40-60 % senken.
Handhabung, Lagerung und Aufbereitung von Pulvern
Die ordnungsgemäße Handhabung, Lagerung und Aufbereitung von Titanlegierungspulvern ist von entscheidender Bedeutung:
| Tätigkeit | Verfahren |
|---|---|
| Handhabung | Verwenden Sie Pulverabdeckungen und Vakuumtransfersysteme, um die Exposition zu minimieren. |
| Lagerung | Versiegelte Behälter in einer feuchtigkeitsfreien Argon-Atmosphäre lagern |
| Mischen | Mischen von Pulvern und Recyclingmaterial im richtigen Verhältnis |
| Trocknen | Feuchtigkeit bei 200°C für 2-4 Stunden entfernen, um Defekte zu vermeiden |
| Siebung | Pulver durch ein feines Sieb sieben, um Agglomerate aufzubrechen |
| Strömungskonditionierung | Zugabe von 0,1-0,5% Fließmitteln wie Silica-Nanopartikeln |
Verunreinigungen und Sauerstoffaufnahme müssen minimiert werden, um eine hohe Ausbeute bei der Wiederverwendung und eine hohe Qualität der Endteile zu gewährleisten.
Selektives Laser-Sinter-Verfahren
Überblick über den SLS-Prozess:
- Das Pulver wird in dünnen Schichten aufgetragen und mit einem Hochleistungslaser selektiv verschmolzen
- Die Stützstrukturen werden gleichzeitig mit dem Teil gebaut
- Teile werden bis zur Fertigstellung in das ungeschmolzene Pulverbett eingebettet
- Überschüssiges Pulver wird entfernt, um das 3D-Teil freizulegen
SLS von Titanlegierungen erfordert:
- Partikelgröße zwischen 15-45 Mikron mit kugelförmiger Morphologie
- Niedriger Sauerstoff- und Stickstoffgehalt
- Präzise Optimierung der Laserenergiedichte
- Inertgasumgebung zur Vermeidung von Kontamination
- Spannungsarmglühende Wärmebehandlung von Teilen
SLS ermöglicht komplexe Geometrien, aber Oberflächengüte und Toleranzen sind geringer als beim EBM.
Elektronenstrahlschmelzverfahren
Überblick über den EBM-Prozess:
- Titanpulverschichten werden vor dem Schmelzen vorgewärmt
- Die Teile sind zur besseren Wärmeableitung auf einer Platte statt auf einer Plattform aufgebaut
- Elektronenstrahl schmilzt das Pulver selektiv im Vakuum
- Keine Stützkonstruktionen erforderlich und nicht verwendetes Pulver kann recycelt werden
EBM von Titanlegierungen erfordert:
- Feine Pulvergrößen zwischen 45-105 Mikron
- Fernlichtleistung ≥ 3kW und Beschleunigungsspannungen 30-60 kV
- Vakuumniveaus unter 5 x 10-5 mbar
- Hochtemperaturvorwärmung bis zu 750°C
EBM ermöglicht im Vergleich zu SLS höhere Fertigungsgeschwindigkeiten, bessere Materialeigenschaften und Oberflächengüte.
Nachbearbeitung von Teilen aus Titan
Durch AM hergestellte Titanbauteile müssen nachbearbeitet werden:
| Prozess | Zweck |
|---|---|
| Entfernung des Pulvers | Entfernen Sie loses Pulver aus inneren Hohlräumen |
| Thermische Spannungsentlastung | Eigenspannungen durch Wärmebehandlung abbauen |
| Heiß-Isostatisches Pressen | Beseitigung der inneren Hohlräume und Erhöhung der Dichte |
| Bearbeitung | Verbesserung von Maßgenauigkeit und Oberflächengüte |
| Oberflächenbehandlungen | Beschichtungen oder Behandlungen auftragen, um Eigenschaften anzupassen |
Die Stützstrukturen lassen sich leicht entfernen, da sie aus demselben Titanmaterial bestehen.
Betrieb und Wartung von Metall-AM-Anlagen
Der zuverlässige Betrieb und die Wartung von Metall-AM-Systemen erfordert:
- Schulung des Bedienpersonals in Bezug auf Maschinenfunktionen, Software und Materialien
- Erstellung von SOPs für Parameteroptimierung, Qualitätskontrolle und Arbeitsabläufe
- Überwachung und Dokumentation von Bauprozessen mit Sensoren, Kameras
- Regelmäßiger Austausch von Filtern, Sieben, Abstreifern, Walzen
- Überprüfung von Laseroptiken, Elektronenstrahl-Emittern und Fokussierung
- Kalibrierung von Pulverschicht- und Energieabgabesystemen
- Aufspüren und Ersetzen von Argon, Helium und Stickstoff
- Reinigung von Baukammern und Materialtransportsystemen
- Regelmäßige Wartung gemäß den Empfehlungen des OEM
Proaktive Wartung verbessert die Betriebszeit, maximiert die Lebensdauer der Geräte und gewährleistet eine optimale Qualität der gedruckten Teile.
Auswahl eines Lieferanten für Titanlegierungspulver
Faktoren für die Auswahl eines Lieferanten für Titanlegierungspulver:
| Betrachtung | Einzelheiten |
|---|---|
| Pulversorten | Palette der unterstützten Legierungen und Zusammensetzungen |
| Qualitätszertifizierungen | Einhaltung von ASTM-, ISO- und anderen Normen |
| Personalisierung | Fähigkeit zur Herstellung von Spezialpulvern für Anwendungen |
| Berichte zur Chargenanalyse | Zusammensetzung, Merkmale und Prüfergebnisse für jede Partie |
| Prüffähigkeiten | Umfang der Qualitätsprüfungen bei eingehenden Materialien |
| Dienstleistungen im Bereich Probenahme | Bereitstellung von kostenlosen Mustern zur Bewertung |
| Vorlaufzeiten | Lagerbestände und Produktionsraten zur Einhaltung der Lieferziele |
| Mindestbestellmengen | Flexibilität bei kleinen Probeaufträgen |
| Technisches Fachwissen | Metallurgie- und Anwendungskenntnisse zur Unterstützung der Kunden |
| Kundenbetreuung | Reaktionsfähigkeit bei Anfragen, Problemen und kundenspezifischen Anforderungen |
| Preisgestaltung | Wettbewerbsfähige und transparente Preise, Rabatte bei größeren Mengen |
Die Wahl renommierter Lieferanten mit strenger Qualitätskontrolle gewährleistet eine zuverlässige Quelle für Hochleistungs-Titanlegierungspulver, die auf AM-Prozesse zugeschnitten sind.
Vor- und Nachteile von Titanlegierungspulvern
Vorteile:
- Hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis
- Korrosions- und Ermüdungsbeständigkeit
- Biokompatibilität für medizinische Anwendungen
- Maßgeschneiderte Legierungen können hergestellt werden
- Komplexe, leichtgewichtige Geometrien durch AM hergestellt
- Schneller und billiger als subtraktive Bearbeitung
- Reduzierte Durchlaufzeiten und Lagerbestände
Beschränkungen:
- Pulver sind im Vergleich zu anderen Materialien teuer
- Begrenzte Verfügbarkeit von Lieferanten und AM-Ausrüstung
- Schwierig, eine hohe Dichte und Oberflächengüte zu erreichen
- Sekundärverarbeitung oft erforderlich
- Anfällig für Verunreinigungen bei der Handhabung
- Die Nachbearbeitung kann kostspielig und zeitaufwendig sein
- Fehlen von Codes und Standards für die Qualitätskontrolle
Angesichts der fortlaufenden Entwicklungen in der AM-Technologie bieten Pulver aus Titanlegierungen ein spannendes Potenzial für alle Fertigungsbereiche, wobei die Herausforderungen bei der Verarbeitung immer größer werden.
FAQ
F: Welche sind die wichtigsten Titanlegierungen, die in der Pulvermetallurgie verwendet werden?
A: Ti-6Al-4V ist aufgrund seiner hervorragenden Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit das am häufigsten verwendete Titanlegierungspulver. Andere Legierungen sind Ti-6Al-7Nb für höhere Festigkeit und Ti 6-4 ELI für biomedizinische Anwendungen.
F: Wie beeinflusst die Qualität des Titanlegierungspulvers die Eigenschaften von AM-Teilen?
A: Pulvereigenschaften wie Partikelgrößenverteilung, Form, Klopfdichte und Sauerstoffgehalt wirken sich direkt auf die Dichte, die Oberflächenbeschaffenheit, die Mikrostruktur und die mechanische Leistung der fertigen Teile aus.
F: Welche Vorsichtsmaßnahmen sind bei der Handhabung von Titanpulvern erforderlich?
A: Der Kontakt mit der Luft führt zu Verunreinigungen, so dass Titanpulver in einer feuchtigkeitsfreien Inertgasumgebung mit Handschuhen und Atemschutzmasken gehandhabt werden muss. Die Lagerbehälter müssen vakuumversiegelt sein.
F: Was ist die typische Preisspanne für Ti-6Al-4V-Legierungspulver?
A: Für industrielles Standardpulver aus Ti-6Al-4V, das für AM geeignet ist, liegen die Preise je nach Menge und Lieferant in der Regel zwischen 150 und 450 $ pro kg. Qualitäten für die Luft- und Raumfahrt sind teurer.
F: Was sind die Hauptvorteile von SLS gegenüber EBM für Titanlegierungen?
A: SLS kann komplexe, leichte Geometrien ohne Stützen herstellen. EBM ermöglicht eine höhere Fertigungsgeschwindigkeit, bessere Materialeigenschaften und Oberflächengüte.
F: Warum ist bei AM-Titanteilen eine Nachbearbeitung erforderlich?
A: Schritte wie Heiß-Isostatisches Pressen, Wärmebehandlung und maschinelle Bearbeitung tragen dazu bei, Spannungen abzubauen, innere Hohlräume zu schließen, die Maßhaltigkeit zu verbessern und die Oberflächengüte zu erhöhen.
F: Wie können die Recyclingfähigkeit und die Wiederverwendungsrate von Pulver maximiert werden?
A: Durch Minimierung der Luftexposition bei der Handhabung, Trocknen des Pulvers vor der Wiederverwendung und Mischen mit einem geringen Anteil an Frischpulver, um die Ansammlung von Verunreinigungen zu verhindern.
F: Welche Normen werden verwendet, um die Qualität von Titanlegierungspulvern zu bestimmen?
A: Die wichtigsten Normen sind ASTM F2924, ASTM F3001 und ISO 23301, die Grenzwerte für die Zusammensetzung, zulässige Prüfmethoden und Probenahmeverfahren festlegen.