Titanlegierungspulver sind feinkörnige Materialien, die aus verschiedenen Kombinationen von Titan mit anderen Metallen wie Aluminium, Vanadium, Molybdän, Zirkonium usw. bestehen. Sie zeichnen sich durch ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität aus und eignen sich daher für verschiedene Anwendungen von Luft- und Raumfahrtkomponenten bis hin zu medizinischen Implantaten.
Dieser Leitfaden behandelt verschiedene Arten von Titanlegierungspulvern, ihre Zusammensetzung und Eigenschaften, Herstellungsverfahren, Anwendungen, Spezifikationen und Qualitäten, Preisangaben, Vor- und Nachteile sowie die Anbieterlandschaft. Er beantwortet auch häufige Fragen zur Verwendung von Titanlegierungspulvern für die industrielle Herstellung von leichten, langlebigen Teilen durch additive Fertigung.
Arten von Titanlegierungspulver
Es gibt viele Sorten von Titanlegierungspulver, die nach ihrer metallischen Zusammensetzung eingeteilt werden:
| Legierung Typ | Chemische Zusammensetzung | Merkmale |
|---|---|---|
| Ti-6Al-4V (Güteklasse 5) | 90% Titan, 6% Aluminium, 4% Vanadium | Die gebräuchlichste und kostengünstigste Titanlegierung, die die beste Kombination aus Festigkeit, geringem Gewicht und Korrosionsbeständigkeit bietet. |
| Ti 6Al-7Nb | 6% Aluminium, 7% Niob | Enthält kein Vanadium. Höhere Biokompatibilität für medizinische Anwendungen, etwas geringere Festigkeit. |
| Ti-555 | 5% Aluminium, 5% Molybdän, 5% Vanadium | Höhere Festigkeit als Ti-64, wird für Teile in der Luft- und Raumfahrt verwendet, die bei mäßigen Temperaturen bis zu 300°C arbeiten. |
| Ti-1023 | 10% Vanadium, 2% Eisen, 3% Aluminium | Ausgezeichnete Kaltumformbarkeit und Schweißbarkeit. Wird für kritische rotierende Komponenten verwendet. |
Es gibt viele weitere Kombinationsmöglichkeiten, die auf der Optimierung von Festigkeit, Härte, Hitzebeständigkeit oder anderen Parametern je nach Anwendungsanforderungen basieren.
Produktionsmethoden für Titanlegierungspulver
Zu den gängigen industriellen Verfahren zur Herstellung von Titanlegierungspulver gehören:
| Methode | Beschreibung | Typische Leistung |
|---|---|---|
| Gaszerstäubung | Geschmolzener Titanlegierungsstrom, der durch Hochdruck-Inertgasstrahlen in feine Tröpfchen zerfällt, die sich zu Pulver verfestigen. | Sphärische Pulver, ideal für die additive Fertigung, hohe Reinheit. |
| Plasma-Zerstäubung | Ähnlich wie bei der Gaszerstäubung, jedoch wird anstelle von Gas Plasmenergie verwendet, um höhere Schmelztemperaturen und feinere Pulver zu erzeugen. | Sehr kugelförmige Pulver mit geringerer Größenverteilung im Vergleich zur Gaszerstäubung. |
| Hydrierung/Dehydrierung | Durch Hydrierung und Zersetzung werden Titanblöcke zu sprödem Titanhydrid reduziert, das anschließend zerkleinert und in Pulverform gesiebt wird. | Unregelmäßig geformte Pulverpartikel mit höherem Sauerstoffgehalt. Kostengünstigeres Verfahren. |
| Fräsen/Mechanisches Legieren | Kugelmühlen mahlen Titanblöcke/-schrott mit anderen Legierungsmitteln zu feinen Verbundpartikeln. | Eckige Pulverform, höherer Verunreinigungsgrad, breitere Partikelverteilung. |
Gas- und plasmagestützte Verfahren ermöglichen eine präzise Kontrolle der Pulvergröße, -form und -verteilung, was zu qualitativ hochwertigeren Rohstoffen führt, die für kritische additive Fertigungsanwendungen in der Luft- und Raumfahrt und bei medizinischen Implantaten bevorzugt werden.
Eigenschaften von Titanlegierungspulver
Die wichtigsten Eigenschaften, die Titanlegierungspulver so einzigartig für die Herstellung von leichten, haltbaren Fertigteilen machen:
| Eigentum | Merkmale | Bedeutung |
|---|---|---|
| Hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis | Bis zu 4-mal stärker als Aluminiumlegierungen bei gleichbleibend geringem Gewicht | Ermöglicht die Konstruktion leichterer, kleinerer Komponenten ohne Einbußen bei der Haltbarkeit |
| Korrosionsbeständigkeit | Bildet von Natur aus eine schützende Oxidschicht, die den Abbau in einem breiten pH-Bereich verhindert | Übertrifft Edelstahlteile in rauen Umgebungen von Säuren bis hin zu Meerwasser bei minimaler Wartung |
| Biokompatibilität | Ungiftig und wird bei langfristiger Implantation nicht vom menschlichen Körpergewebe abgestoßen | Bevorzugt gegenüber anderen Metallen für Stifte, Schrauben, Hüftgelenke, Schädelplatten und andere interne Prothesen mit einer Lebensdauer von 10-20+ Jahren |
| Verarbeitbarkeit und Duktilität | Hält wiederholten Belastungszyklen stand, ohne zu brechen, und lässt sich durch eine Vielzahl von Bearbeitungs- und Herstellungsmethoden formen | Zuverlässige, dauerhafte Leistung in dynamischen, mechanisch belasteten Anwendungen wie Flugzeugfahrwerken und Turbinenschaufeln |
| Hitzebeständigkeit | Behält seine hohe Zugfestigkeit bei erhöhten Temperaturen von bis zu 600°C für einige Legierungen bei | Ermöglicht die Leichtbauweise von Komponenten für heiße Abschnitte wie Düsentriebwerke, Autoabgassysteme, chemische Reaktoren und andere Wärmeübertragungsanlagen |
Dank dieser hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften in Verbindung mit modernen additiven Fertigungstechniken eignen sich Titanlegierungen als Ersatz für schwerere, korrosionsanfällige oder biologisch unverträgliche herkömmliche Werkstoffe in den Bereichen Transport, chemische Verarbeitung, Biomedizin und Konsumgüterindustrie.
Anwendungen von Titanlegierungspulver
Gemeinsame Endanwendungen von additiv hergestellten Komponenten aus Titanlegierungen aus Metallpulvern:
| Industrie | Anwendungen | Vorteile |
|---|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Flugzeugstrukturrahmen, Triebwerksschaufeln, Fahrwerksteile | Geringes Gewicht, Hitze- und Ermüdungsbeständigkeit zur Senkung der Kraftstoffkosten |
| Medizinische | Hüft-, Knie- und Zahnimplantate. Chirurgische Werkzeuge | Biokompatible, robuste Geräte zur Verbesserung der Patientenergebnisse |
| Automobilindustrie | Pleuelstangen, Ventile, Turbolader | Hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen unter der Motorhaube |
| Chemische Anlagen | Korrosionsbeständige Behälter, Rohre, Pumpen | Widersteht dem Kontakt mit einer Vielzahl von aggressiven Substanzen |
| Konsumgüter | Brillengestelle, Uhren, Fahrräder | Leichte Luxusprodukte |
| Verteidigung | Ballistische Panzerplatten, Kampffahrzeugtafeln | Wirksamer Schutz vor Kugeln/Explosionen bei geringerer taktischer Gewichtsbelastung |
Sowohl die Herstellung von Prototypen für individuelle Einzelteile wie künstliche Gelenke, die auf die Scandaten eines Patienten zugeschnitten sind, als auch der 3D-Druck von Flugzeugkomponenten im kommerziellen Maßstab demonstrieren die Vielseitigkeit von Titanlegierungen bei kleinen und großen Fertigteilen.
Spezifikationen und Qualitäten
Internationale Materialnormen klassifizieren die Titanlegierungsgrade für eine einheitliche Identifizierung des Pulverrohstoffs:
| Spezifikation | Gemeinsame Noten | Einzelheiten |
|---|---|---|
| ASTM F2924 | ti-6al-4v Ti 6Al-7Nb Ti 6-4 ELI | Definiert die Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften von mehr als 20 Titansorten für additive Fertigungsanwendungen |
| ASTM F3049 | Ti 6Al-4V Ti 5Al-5V-5Mo-3Cr | Sorten, die für biokompatible Medizinprodukte wie Implantate und Instrumente zugeschnitten sind |
| ASTM F3001 | ti-6al-4v Ti 6-4 ELI Ti 6Al-7Nb | Konzentriert auf Hitzebeständigkeit in Umgebungen mit Temperaturen von 300°C und mehr, wie sie in Triebwerken der Luft- und Raumfahrt und in Hotspots von Flugzeugzellen üblich sind |
Die Bezeichnung ELI bezieht sich auf “extra low interstitial” mit strengeren Grenzwerten für Verunreinigungen. In der Luft- und Raumfahrt sowie im medizinischen Bereich gelten aufgrund von Haftungsrisiken die strengsten Spezifikationen. Sprechen Sie mit den Herstellern, um herauszufinden, welche Qualität am besten zu den Anforderungen der Anwendung und den Betriebsbedingungen passt.
Lieferanten und Preisgestaltung
| Anbieter | Angebotene Klassenstufen | Kostenvoranschlag |
|---|---|---|
| LPW-Technologie | Ti-6Al-4V, Ti 6Al-7Nb, Sonderlegierungen | $150-$500 pro kg |
| AP&C | Ti 6Al-4V, Ti 6Al-7Nb, Ti 6-4 ELI | $200-$600 pro kg |
| PyroGenesis | TiAlCrY, Ti6Al4V, Ti-Legierungen | $250-$800 pro kg |
| Oerlikon AM | Ti6Al4V, TiAl6V4, Ti6242 | $100-$650 pro kg |
Die Kosten für Titanlegierungspulver können sehr unterschiedlich sein und reichen von 100 $ pro kg für gängige Güten, die mit einfachen Fertigungsmethoden hergestellt werden, bis zu 800 $ pro kg für hochgradig kundenspezifische Legierungen, die mit Hilfe von Plasmazerstäubungsverfahren hergestellt werden. In der Regel muss man mit $200 – $400 pro kg für Arbeitsgüten wie Ti-6Al-4V ELI rechnen, die den Spezifikationen der Luft- und Raumfahrt oder der Medizin entsprechen.
Denken Sie daran, dass die Gesamtkosten auf der Grundlage des Verhältnisses von eingekauftem Pulvermaterial zum Gewicht des fertigen, dichten Teils berechnet werden müssen, nicht nur auf der Grundlage der ursprünglichen Rohpulvermenge. Arbeiten Sie mit Ihren Lieferanten zusammen, um die Ausbeute im Druckprozess zu optimieren.
Pro und Kontra von Titanlegierungspulver
| Profis | Nachteile |
|---|---|
| Leichte Teile reduzieren das Gewicht der Komponenten um 50 % oder mehr | Höhere Materialkosten als bei Metallen wie Aluminium oder Stahl |
| Widersteht extremen Umgebungen von Meerwasser bis zu großer Hitze | Begrenzte Auswahl an Legierungen und Pulverlieferanten im Vergleich zu anderen Metallen |
| Erstellung neuartiger Geometrien, die mit subtraktiver Bearbeitung nicht möglich sind | Nachbearbeitung wie heißisostatisches Pressen oft erforderlich, um mechanische Eigenschaften zu erreichen |
| Eliminierung von Unterbaugruppen durch integrierte gedruckte Teile | Es fehlen noch immer umfassende Codes und Standards für die Fehlertoleranz |
| Individuelles Design, das auf die Anatomie des Patienten oder die Anwendungsbelastung zugeschnitten ist | Erfordert Fachkenntnisse im Umgang mit Inertgas für die Sicherheit von Pulver und Druck |
Titan selbst ist zwar teurer als andere gängige Metalle und erfordert nach dem Druck weitere Nachbearbeitungsschritte, aber die langfristige Leistung der Teile in zuverlässigkeitskritischen Anwendungen und die flexiblen Möglichkeiten, leichtere, integrierte Komponentendesigns neu zu erfinden, bieten letztendlich einen hervorragenden Wert über die gesamte Lebensdauer, insbesondere für Sektoren wie Luft- und Raumfahrt und Medizintechnik.
Beschränkungen und Überlegungen
Beachten Sie diese Einschränkungen bei der Arbeit mit Titanlegierungspulvern:
- Reaktivität mit Sauerstoff – Pulver und gedruckte Teile müssen in inerten Argon-Umgebungen gehandhabt werden, um Brände zu verhindern
- Geringere Laserabsorption im Vergleich zu anderen Metallen – kann heißere Laserleistungen erfordern, was zu langsameren Aufbaugeschwindigkeiten führt
- Aufgrund der hohen chemischen Affinität bleibt das Risiko einer Verunreinigung durch das Anhaften der Bauplatte während des Drucks bestehen.
- Fehlen umfassender Codes und Standards für Qualitätskontrollzulagen – CAAM, MMPDS und historische Daten sind hilfreich, aber immer noch ein sich entwickelnder Bereich
- Eine sekundäre Verarbeitung wie das Heiß-Isostatische Pressen (HIP) verursacht zusätzliche Kosten, ist aber erforderlich, um ähnliche Materialeigenschaften wie bei Knetwerkstoffen zu erzielen.
Ingenieure, die Titananwendungen in Erwägung ziehen, müssen eng mit spezialisierten Metalldruckdienstleistern zusammenarbeiten, um robuste Prozessparameter zu entwickeln und die mechanische Leistung in kleinen Chargen gemäß den Konstruktionsspezifikationen zu validieren, bevor sie sich für die Massenproduktion entscheiden.
FAQ
| Frage | Antwort |
|---|---|
| Welche Partikelgrößen sind typisch für Druckpulver aus Titanlegierungen? | 10-45 Mikrometer sind üblich, da sie für die meisten Laser-Pulverbett-Schmelzanlagen optimiert sind. Einige Technologien unterstützen Partikel unter 10 Mikron. |
| Wie lautet ein Beispiel für die chemische Zusammensetzung einer Titanlegierung des Grades 5? | 89,7% Titan, 6% Aluminium, 4% Vanadium, 0,25% Eisen, 0,2% Sauerstoff. Andere Spurenelemente. |
| Bei welcher Temperatur schmilzt Ti-6Al-4V? | 1.605 °C, beginnt aber bei über 800 °C superplastisch zu werden, was das dichte Lasersinterverhalten fördert. |
| Veraltet oder verdirbt Titanlegierungspulver mit der Zeit? | Wenn das Pulver mit Trockenmittelbeuteln versiegelt gelagert wird, um es vor Feuchtigkeit zu schützen, ist es viele Jahre haltbar. Testen Sie die kritischen Eigenschaften nach 3-5 Jahren erneut. |
| Ist Titanlegierungspulver brennbar? | Ja, feines Titanpulver ist leicht entzündlich, insbesondere wenn es in der Luft verteilt wird. Befolgen Sie strenge Vorsichtsmaßnahmen und verwenden Sie nur Inertgase. |
| Sind diese Legierungen mit dem Metall-Spritzgießen kompatibel? | Ja, sie eignen sich auch für MIM-Verfahren, nicht nur für den additiven Druck. Passen Sie die Maschenweite an die Möglichkeiten der Spritzgussform an. |
| Welche Nachbearbeitungsmethode ist die beste? | Das heißisostatische Pressen ergibt die beste Mikrostruktur, Verdichtung und Materialeigenschaften. |
| Wie viel kostet ein Hüftimplantat, das aus Titanlegierungspulver hergestellt wird? | Ungefähr 8.000 $, wobei die Hälfte der Kosten auf das Rohmaterial Titanpulver entfällt. |
Mit soliden Handhabungsverfahren und Qualitätsprozessen ermöglichen Titanlegierungen enorme Fortschritte bei der Innovation von Leichtbauteilen aus Metalldruck.
Schlussfolgerung
Die additive Fertigung läutet eine neue Ära der Designfreiheit in der Technik ein - von Raketen für die Luft- und Raumfahrt bis hin zu maßgeschneiderten Knieimplantaten. Titanlegierungspulver werden dabei eine entscheidende Rolle spielen - dank ihrer einzigartigen Eigenschaften, die von hoher Biokompatibilität bis hin zu Hitzebeständigkeit und guter Verarbeitbarkeit reichen. Mit der Verfügbarkeit von Legierungszusammensetzungen, die über das allseits beliebte Ti-6Al-4V hinausgehen, steht den Ingenieuren eine erweiterte Materialpalette zur Verfügung, mit der sie experimentieren können, um die Leistungsgrenzen von topologisch optimierten gedruckten Metallkomponenten zu erweitern, die mit herkömmlichen subtraktiven Fertigungsverfahren kaum vorstellbar sind. Durch die enge Zusammenarbeit mit spezialisierten pulvermetallurgischen Fertigungspartnern, die neuartige Legierungen für strenge Qualitätsstandards charakterisieren und sekundäre Veredelungsprozesse wie das isostatische Heißpressen zur Maximierung der mechanischen Eigenschaften nutzen, können Unternehmen die Vorteile des leichten und hochfesten Titans voll ausschöpfen, um Fahrzeuge, Implantate und Industrieanlagen der nächsten Generation zu entwickeln. Die Kosten sind zwar höher als bei herkömmlichen Metallen, doch der Wert über den gesamten Lebenszyklus macht dies bei vielen Anwendungen mehr als wett. Es ist zu erwarten, dass Titanlegierungen als wichtiges technologisches Material weiter zunehmen werden, um Innovationen in allen Sektoren voranzutreiben.