polvo de titanio para impresión 3D es un metal fuerte, ligero y resistente a la corrosión, ideal para imprimir en 3D piezas complejas y duraderas para aplicaciones aeroespaciales, de automoción, médicas y otras aplicaciones avanzadas. Este artículo ofrece una visión completa de la metalurgia del polvo de titanio, sus propiedades, aplicaciones y proveedores para la fabricación aditiva con titanio.
Descripción general del polvo de titanio para impresión 3D
El titanio es un material idóneo para la impresión 3D por su elevada relación resistencia-peso, su resistencia a la fatiga y la fractura y su biocompatibilidad. Los polvos de titanio permiten imprimir piezas mediante procesos de fusión de lecho de polvo con características finas y geometrías complejas.
Grados de titanio: Entre las aleaciones de titanio más utilizadas para la AM se encuentran el Ti-6Al-4V (Ti64), el Ti64 ELI, el Ti comercialmente puro (CP) de grado 2 y el Ti 6242.
Producción de polvo: El polvo de titanio se produce mediante atomización con gas, en la que el titanio fundido se atomiza mediante un chorro de gas inerte en finas partículas esféricas con una distribución de tamaños ajustada. También se utiliza el proceso de electrodo giratorio de plasma (PREP).
Tamaños de polvo: Los tamaños típicos del polvo oscilan entre 15 y 45 micras. Los polvos más finos, de unas 15 micras, permiten una mejor resolución, mientras que los polvos más gruesos, de 45 micras, permiten mayores velocidades de producción.
Fluidez y reutilización: Su morfología esférica y la distribución controlada de su tamaño le confieren una buena fluidez. El polvo de titanio puede reutilizarse hasta 10-20 veces si se manipula correctamente.
Seguridad: El polvo de titanio es altamente inflamable y reactivo con el aire debido a su naturaleza pirofórica. Es fundamental manipularlo adecuadamente en una atmósfera inerte.
Composición y microestructura
La composición del polvo de titanio, la microestructura, las fases presentes y defectos como la porosidad determinan las propiedades finales de las piezas impresas.
Composición elemental
| Aleación | Titanio | Aluminio | Vanadio | Hierro | Oxígeno | Nitrógeno | Hidrógeno |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V | Saldo | 5.5-6.5% | 3.5-4.5% | <0,3% | <0,2% | <0,05% | <0,015% |
| Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo | Saldo | 5.5-6.5% | – | – | – | – | – |
| CP Grado 2 Ti | 99,2% min | – | – | 0,3% máx. | 0,25% máx | 0,03% máx | 0,015% máx |
Fases: Las aleaciones de titanio contienen una mezcla de fases α hexagonales compactas y β cúbicas centradas en el cuerpo. Las velocidades de enfriamiento en AM pueden generar fases no equilibradas.
Defectos: La falta de fusión, la porosidad y las microfisuras pueden degradar las propiedades mecánicas. El prensado isostático en caliente (HIP) ayuda a reducir los defectos y mejorar la consistencia.
Estructura del grano: En las aleaciones de titanio AM se observan granos pre-β columnares a lo largo de la dirección de construcción debido a la rápida solidificación y al crecimiento epitaxial. La anchura de los granos columnares influye en la resistencia.
Rugosidad de la superficie: Los procesos de fusión de lecho de polvo dan lugar a superficies semilisas en el momento de la impresión debido a las partículas de polvo parcialmente fundidas. A menudo es necesario un acabado adicional.
Propiedades clave
Las propiedades de las piezas de titanio impresas se ven influidas por la composición, la porosidad, la rugosidad de la superficie, la orientación de la estructura, el tratamiento térmico y la dirección del ensayo.
Propiedades físicas
| Propiedad | Ti-6Al-4V | CP Grado 2 Ti |
|---|---|---|
| Densidad (g/cc) | 4.42 | 4.51 |
| Punto de fusión (°C) | 1604-1660 | 1668 |
Propiedades mecánicas
| Propiedad | Tal como se imprimió | Prensado isostático en caliente (HIP) | Tren de laminación recocido |
|---|---|---|---|
| Resistencia a la tracción (MPa) | 900-1300 | 950-1150 | 860-965 |
| Límite elástico (MPa) | 800-1100 | 825-900 | 790-870 |
| Alargamiento a la rotura (%) | 5-15 | 8-20 | 15-25 |
| Dureza (HRC) | 32-44 | 32-36 | 31-34 |
Ventajas
- Elevada relación resistencia/peso
- Mantiene la resistencia a temperaturas elevadas
- Resistente a la fatiga, el desgaste y la corrosión
- Bioinert: apto para implantes médicos
- Puede soportar tratamientos de esterilización
Limitaciones
- Material caro y procesamiento AM
- Polvo reactivo e inflamable
- Propiedades anisotrópicas
- Menor ductilidad que las formas forjadas
Aplicaciones de las piezas de titanio de fabricación aditiva
La impresión 3D amplía los usos del titanio en componentes más ligeros, resistentes y de mayor rendimiento en todos los sectores.
Aeroespacial: Palas de turbina, estructuras de fuselajes y motores, antenas, intercambiadores de calor
Automóvil: Bielas, válvulas, ruedas de turbocompresor, componentes de transmisión
Médico y dental: Implantes ortopédicos, prótesis, instrumental quirúrgico, dispositivos adaptados al paciente
Petróleo y gas: Tuberías, válvulas, componentes de boca de pozo, separadores resistentes a la corrosión
Bienes de consumo: Equipamiento deportivo como cuadros de bicicleta, cabezas de palos de golf, monturas de gafas
Herramientas: Canales de refrigeración conformados y ligeros integrados en moldes de inyección de metal, plantillas y accesorios
Popular polvo de titanio para impresión 3D para AM
| Aleación | Aplicaciones | Imprimibilidad | Acabado superficial | Propiedades mecánicas |
|---|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V ELI | Componentes aeroespaciales, implantes biomédicos | Excelente | Moderado | Alta resistencia, dureza, vida a la fatiga |
| Ti-6Al-4V | Piezas estructurales aeroespaciales, automoción | Muy buena | Moderado | Resistencia, tenacidad a la fractura |
| Ti 6242 | Componentes de alta temperatura | Bien | Pobre | Resistencia a 300°C, resistencia a la fluencia |
| Titanio CP Grado 2 | Implantes médicos, plantas químicas | Moderado | Muy buena | Ductilidad, resistencia a la corrosión |
Especificaciones y normas
El polvo de titanio y las piezas impresas cumplen estrictos requisitos de calidad según las normas aeroespaciales y médicas.
Especificaciones del polvo
| Parámetro | Requisito | Método de ensayo |
|---|---|---|
| Tamaño de las partículas | 15-45 μm | Difracción láser |
| Densidad aparente | ≥ 2,7 g/cc | Caudalímetro Hall |
| Densidad del grifo | ≥ 3,2 g/cc | Densímetro de tomas |
| Caudal | 15-25 s/50g | Caudalímetro Hall |
| Composición química | Certificado de análisis | GDMS, ICP-MS |
Normas de cualificación de piezas
| Estándar | Detalles |
|---|---|
| ASTM F3001 | Norma para piezas de titanio AM |
| ASTM F2924 | Aleación de titanio Ti-6Al-4V ELI |
| ASTM F3184 | Polvo de aleación de titanio como materia prima |
| AMS7009 | Especificación de materiales aeroespaciales |
| ISO 13485 | Productos sanitarios - Gestión de la calidad |
Principios de diseño para Titanium AM
El diseño adecuado de los componentes es crucial para aprovechar las ventajas de la fabricación aditiva con titanio.
- Minimizar los voladizos para evitar estructuras de soporte
- Orientar las piezas para facilitar la eliminación del polvo
- Permitir el postprocesamiento como HIP y mecanizado
- Incluyen canales integrados para refrigeración conformada
- Consolidación de conjuntos en piezas individuales de titanio
- Reforzar las regiones sometidas a grandes esfuerzos con celosías
- Optimización de formas para reducir el peso mediante la optimización topológica
Proveedores de polvo de titanio para impresión 3D
| Proveedor | Grados ofrecidos | Tamaños de polvo | Servicios adicionales |
|---|---|---|---|
| AP&C | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti64, CP-Ti grados 1-4 | 15-45 μm | Análisis, pruebas, tamizado, mezcla, almacenamiento |
| Aditivo para carpinteros | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo | 15-45 μm | Aleaciones personalizadas, desarrollo de parámetros |
| Tecnología LPW | Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-4V, CP-Ti grado 2 | 15-45 μm | Pruebas de materiales, análisis de reutilización de polvos |
| Praxair | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI | 15-100 μm | Tamizado, mezcla, almacenamiento |
| Sandvik | Aleaciones de titanio Osprey | 15-45 μm | Gestión del ciclo de vida de la pólvora |
Coste: ~$500-$1000 por kg, pero depende del volumen del pedido, el grado, la distribución de tamaños, el método de atomización con gas, la manipulación adicional y los requisitos de ensayo.
preguntas frecuentes
P: ¿Qué métodos pueden utilizarse para imprimir piezas de titanio en 3D?
R: El titanio se imprime principalmente por fusión en lecho de polvo mediante fusión selectiva por láser (SLM) y fusión por haz de electrones (EBM). Los métodos basados en alambre, como la deposición de metal por láser (LMD) y la deposición de energía dirigida (DED) basada en soldadura, también son posibles, pero menos comunes.
P: ¿Requiere el polvo de titanio para AM un almacenamiento o manipulación especiales?
R: Sí, el titanio reacciona fácilmente con el aire, por lo que el polvo debe almacenarse y procesarse en atmósfera inerte utilizando gas argón o nitrógeno. Deben evitarse los entornos inflamables y las fuentes de ignición. Los operarios deben llevar equipo de protección cuando manipulen polvo de titanio.
P: ¿Qué causa los problemas de porosidad en las piezas de titanio AM?
R: Las altas velocidades de enfriamiento provocan el atrapamiento de gas que causa la falta de defectos de fusión. Para minimizar la porosidad es necesario optimizar parámetros como la potencia, la velocidad, el espaciado entre trampillas, el desplazamiento del foco y la densidad de la capa de polvo. El prensado isostático en caliente (HIP) también puede ayudar a densificar las piezas tras la impresión inicial.
P: ¿Por qué es difícil conseguir superficies de titanio lisas directamente después del procesamiento AM?
R: El polvo de titanio parcialmente fundido puede adherirse a las superficies y provocar un acabado rugoso. Las operaciones secundarias utilizadas para alisar las piezas impresas de titanio son el volteo, el chorro de arena, el fresado, el esmerilado y el pulido. También se utilizan procesos de acabado químico o electroquímico.
P: ¿Se puede imprimir en 3D titanio comercialmente puro?
R: Sí, el polvo de titanio CP no aleado de los grados 1 a 4, que cumple las normas ASTM como la B348 en cuanto a composición y distribución del tamaño de las partículas, puede utilizarse para imprimir componentes de titanio puro para aplicaciones que requieren una gran ductilidad, como implantes óseos y plantas químicas.