Überblick über Titanlegierungspulver

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Inhaltsübersicht

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:

TypZusammensetzungMerkmale
ti-6al-4v6% Aluminium, 4% VanadiumAlpha-Beta-Legierung, die aufgrund ihrer Festigkeit und Schweißbarkeit am häufigsten für Bauteile in der Luft- und Raumfahrt verwendet wird
Ti-6Al-7Nb6% Aluminium, 7% NiobAlpha-Beta-Legierung, höhere Festigkeit als Ti-6Al-4V
Ti-5Al-5Mo-5V-3Crje 5 % Aluminium, Molybdän, Vanadium und ChromAlpha-nahe Legierung, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit
Ti-55535% Aluminium, 5% Molybdän, 4% Niob, 3% Vanadium, 1% ZirkoniumBeinahe-Alpha-Legierung, die aufgrund ihrer Ermüdungsfestigkeit für Kompressorteile verwendet wird
Ti-10V-2Fe-3Al10% Vanadium, 2% Eisen, 3% AluminiumBeta-Legierung, höchste Festigkeit aller Titanlegierungen, aber geringere Duktilität

Merkmale von Titanlegierungspulvern

Hauptmerkmale von Titanlegierungspulvern:

CharakteristischEinzelheiten
PartikelformMeistens kugelförmig, einige unregelmäßige Formen, beeinflusst Fließfähigkeit und Packungsdichte
PartikelgrößenverteilungEnge Verteilung zwischen 15-45 Mikron üblich, beeinträchtigt die Dichte und Qualität des Endprodukts
FließfähigkeitAbhängig von Form, Größenverteilung, Oberflächenstruktur – Verbesserung durch Sphäroidisierung und Fließmittel
Scheinbare DichteEtwa 2,5-3,5 g/cc je nach Zusammensetzung und Verarbeitungsmethode – höher ist besser
ZapfstellendichteEtwa 60-80% der theoretischen Dichte basierend auf der Packung – eine höhere Dichte verbessert die endgültige Bauteildichte
OxidgehaltLiegt als dünne Oberflächenschicht vor, höhere Werte können Defekte in den fertigen Teilen verursachen
WiederverwertbarkeitAbhängig 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:

IndustrieAnwendungen
Luft- und RaumfahrtStrukturelle Flugzeugkomponenten, Triebwerksteile, Flugzeugzellen, Turbinen
MedizinischeOrthopädische und zahnmedizinische Implantate, Prothetik, chirurgische Instrumente
AutomobilindustrieMotorteile, Komponenten des Antriebsstrangs, Teile unter der Motorhaube
IndustriellWerkzeug- und Formenbau, Robotik, Fertigungsausrüstung
Öl und GasVentile, Pumpen, Brunnenkopfkomponenten, Rohre
ChemischProzessausrüstung, Reaktoren, Wärmetauscher

Zu den Vorteilen gehören Gewichtseinsparungen, kundenspezifische Anpassungen, vereinfachte Baugruppen, schnelleres Prototyping und geringere Lebenszykluskosten im Vergleich zur herkömmlichen Fertigung.

Titanlegierungspulver
Überblick über Titanlegierungspulver 3

Spezifikationen von Titanlegierungspulvern

Pulver aus Titanlegierungen müssen für den Einsatz in AM-Prozessen strenge chemische, physikalische und mikrostrukturelle Spezifikationen erfüllen:

ParameterTypische Spezifikation
Reinheit99% Titan, geringe O-, C-, N- und H-Kontamination
PartikelformÜberwiegend kugelförmig
Partikelgröße15 bis 45 Mikrometer
GrößenverteilungD10 > 10 Mikron, D90 < 100 Mikron
Scheinbare Dichte2,5 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
MikrostrukturAlpha-, 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:

AnbieterPulversortenQualitätsstandards
AP&CTi-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-5Al-5Mo-5V-3CrASTM B348, ASTM F2924, ASTM F3049
Zimmerer-ZusatzstoffTi-6Al-4V ELI, Ti-6Al-4V, Ti 6-4, Ti CP2, Ti SP700ASTM F2924, ASTM F3001
LPW-TechnologieTi-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-7Nb, Ti 5553ASTM F2924, ISO 23301
PraxairTi-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti CP-2, Beta-CASTM F2924, ASTM F3001
TLS TechnikTi-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti-5Al-5Mo-5V-3CrASTM F2924, ASTM F3001

Für bestimmte Anwendungen können auch Spezialqualitäten beschafft werden.

Kosten von Titanlegierungspulvern

Die Kosten für Titanlegierungspulver variieren je nach:

FaktorEinzelheiten
Zusammensetzung der LegierungTi-6Al-4V am häufigsten und wirtschaftlichsten
QualitätsstufeLuft- und Raumfahrtqualitäten teurer als Industriequalitäten
AuftragsvolumenPulverpreis sinkt bei höheren Mengen
PartikelgrößenbereichFeine Pulver unter 30 Mikron sind teurer
AnbieterPreisunterschiede zwischen den Marken
Methode der VerarbeitungGaszerstäubte 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:

TätigkeitVerfahren
HandhabungVerwenden Sie Pulverabdeckungen und Vakuumtransfersysteme, um die Exposition zu minimieren.
LagerungVersiegelte Behälter in einer feuchtigkeitsfreien Argon-Atmosphäre lagern
MischenMischen von Pulvern und Recyclingmaterial im richtigen Verhältnis
TrocknenFeuchtigkeit bei 200°C für 2-4 Stunden entfernen, um Defekte zu vermeiden
SiebungPulver durch ein feines Sieb sieben, um Agglomerate aufzubrechen
StrömungskonditionierungZugabe 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:

ProzessZweck
Entfernung des PulversEntfernen Sie loses Pulver aus inneren Hohlräumen
Thermische SpannungsentlastungEigenspannungen durch Wärmebehandlung abbauen
Heiß-Isostatisches PressenBeseitigung der inneren Hohlräume und Erhöhung der Dichte
BearbeitungVerbesserung von Maßgenauigkeit und Oberflächengüte
OberflächenbehandlungenBeschichtungen 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:

BetrachtungEinzelheiten
PulversortenPalette der unterstützten Legierungen und Zusammensetzungen
QualitätszertifizierungenEinhaltung von ASTM-, ISO- und anderen Normen
PersonalisierungFähigkeit zur Herstellung von Spezialpulvern für Anwendungen
Berichte zur ChargenanalyseZusammensetzung, Merkmale und Prüfergebnisse für jede Partie
PrüffähigkeitenUmfang der Qualitätsprüfungen bei eingehenden Materialien
Dienstleistungen im Bereich ProbenahmeBereitstellung von kostenlosen Mustern zur Bewertung
VorlaufzeitenLagerbestände und Produktionsraten zur Einhaltung der Lieferziele
MindestbestellmengenFlexibilität bei kleinen Probeaufträgen
Technisches FachwissenMetallurgie- und Anwendungskenntnisse zur Unterstützung der Kunden
KundenbetreuungReaktionsfähigkeit bei Anfragen, Problemen und kundenspezifischen Anforderungen
PreisgestaltungWettbewerbsfähige 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.

titanium alloys pulver
Überblick über Titanlegierungspulver 4

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.

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