Impression 3D de poudre de titane est un métal solide, léger et résistant à la corrosion, idéal pour l'impression 3D de pièces complexes et durables pour l'aérospatiale, l'automobile, la médecine et d'autres applications de pointe. Cet article présente une vue d'ensemble de la métallurgie des poudres de titane, de leurs propriétés, de leurs applications et des fournisseurs de fabrication additive à base de titane.
Aperçu de l'impression 3D de poudre de titane
Le titane est un matériau intéressant pour l'impression 3D en raison de son rapport poids/résistance élevé, de sa résistance à la fatigue et à la rupture et de sa biocompatibilité. Les poudres de titane permettent d'imprimer des pièces par fusion sur lit de poudre avec des caractéristiques fines et des géométries complexes.
Qualités de titane : Les alliages de titane couramment utilisés pour l'AM comprennent le Ti-6Al-4V (Ti64), le Ti64 ELI, le Ti grade 2 commercialement pur (CP) et le Ti 6242.
Production de poudre : La poudre de titane est produite par atomisation au gaz, où le titane fondu est atomisé par un jet de gaz inerte en fines particules sphériques avec une distribution de taille serrée. Le procédé par électrodes rotatives à plasma (PREP) est également utilisé.
Taille des poudres : La taille des poudres est généralement comprise entre 15 et 45 microns. Les poudres plus fines, de l'ordre de 15 microns, permettent une meilleure résolution, tandis que les poudres plus grossières, de l'ordre de 45 microns, permettent des taux de fabrication plus élevés.
La fluidité et la réutilisation : La morphologie sphérique et la distribution contrôlée de la taille confèrent une bonne fluidité. La poudre de titane peut généralement être réutilisée jusqu'à 10 à 20 fois si elle est manipulée correctement.
La sécurité : La poudre de titane est hautement inflammable et réagit avec l'air en raison de sa nature pyrophorique. Il est essentiel de la manipuler correctement dans une atmosphère inerte.
Composition et microstructure
La composition de la poudre de titane, la microstructure, les phases présentes et les défauts tels que la porosité déterminent les propriétés finales des pièces imprimées.
Composition élémentaire
| alliage | titane | Aluminium | Vanadium | Le fer | Oxygène | Azote | Hydrogène |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ti-6al-4v | Balance | 5.5-6.5% | 3.5-4.5% | <0.3% | <0.2% | <0.05% | 0,015 pour cent |
| Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo | Balance | 5.5-6.5% | – | – | – | – | – |
| CP Grade 2 Ti | 99,2% min | – | – | 0,3% max | 0,25% max | 0,03% max | 0,015% max |
Phases : Les alliages de titane contiennent un mélange de phases α hexagonales étroitement emballées et β cubiques centrées sur le corps. Les taux de refroidissement en AM peuvent générer des phases non équilibrées.
Défauts : Le manque de fusion, la porosité, les microfissures peuvent apparaître et dégrader les propriétés mécaniques. Le pressage isostatique à chaud (HIP) permet de réduire les défauts et d'améliorer l'homogénéité.
Structure du grain : Des grains colonnaires prior-β le long de la direction de construction sont observés dans les alliages de titane AM en raison d'une solidification rapide et d'une croissance épitaxiale. La largeur des grains colonnaires influe sur la résistance.
Rugosité de la surface : Les procédés de fusion sur lit de poudre conduisent à des surfaces imprimées semi-lisse en raison des particules de poudre partiellement fondues. Une finition supplémentaire est souvent nécessaire.
Propriétés principales
Les propriétés des pièces en titane imprimées sont influencées par la composition, la porosité, la rugosité de la surface, l'orientation de la construction, le traitement thermique et la direction des essais.
Propriétés physiques
| Propriété | ti-6al-4v | CP Grade 2 Ti |
|---|---|---|
| Densité (g/cc) | 4.42 | 4.51 |
| Point de fusion (°C) | 1604-1660 | 1668 |
Propriétés mécaniques
| Propriété | Tel qu'imprimé | Pressage isostatique à chaud (HIP) | Forgé, laminé, recuit |
|---|---|---|---|
| Résistance à la traction (MPa) | 900-1300 | 950-1150 | 860-965 |
| Limite d'élasticité (MPa) | 800-1100 | 825-900 | 790-870 |
| Allongement à la rupture (%) | 5-15 | 8-20 | 15-25 |
| Dureté (HRC) | 32-44 | 32-36 | 31-34 |
Avantages
- Rapport résistance/poids élevé
- Conserve sa résistance à des températures élevées
- Résistance à la fatigue, à l'usure et à la corrosion
- Bioinert – ; convient aux implants médicaux
- Peut résister aux traitements de stérilisation
Limites
- Matériaux coûteux et traitement AM
- Poudre réactive et inflammable
- Propriétés anisotropes
- ductilité inférieure à celle des formes corroyées
Applications des pièces en titane fabriquées de manière additive
L'impression 3D élargit l'utilisation du titane à des composants plus légers, plus résistants et plus performants dans tous les secteurs d'activité.
Aérospatiale : Aubes de turbines, structures de cellules et de moteurs, antennes, échangeurs de chaleur
Automobile : Bielles, soupapes, roues de turbocompresseur, composants de la transmission
Soins médicaux et dentaires : Implants orthopédiques, prothèses, instruments chirurgicaux, dispositifs adaptés au patient
Pétrole et gaz : Tuyaux, vannes, composants de têtes de puits, séparateurs résistants à la corrosion
Biens de consommation : Équipements sportifs tels que cadres de bicyclettes, têtes de clubs de golf, montures de lunettes
Outillage : Canaux de refroidissement conformes et légers intégrés dans les moules d'injection de métal, les gabarits et les fixations
Populaire Impression 3D de poudre de titane pour AM
| alliage | Applications | Imprimabilité | Finition de la surface | Propriétés mécaniques |
|---|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V ELI | Composants aérospatiaux, implants biomédicaux | Excellent | Modéré | Haute résistance, dureté, résistance à la fatigue |
| ti-6al-4v | Pièces structurelles pour l'aérospatiale, l'automobile | Très bon | Modéré | Résistance, ténacité à la rupture |
| Ti 6242 | Composants à haute température | Bon | Pauvre | Résistance à 300°C, résistance au fluage |
| CP Grade 2 Titane | Implants médicaux, usines chimiques | Modéré | Très bon | Ductilité, résistance à la corrosion |
Spécifications et normes
Des exigences de qualité strictes sont appliquées à la poudre de titane et aux pièces imprimées, conformément aux normes aérospatiales et médicales.
Spécifications des poudres
| Paramètres | Exigence | Méthode de test |
|---|---|---|
| Taille des particules | 15-45 μm | Diffraction laser |
| Densité apparente | ≥ 2,7 g/cc | Débitmètre à effet Hall |
| Densité du robinet | ≥ 3,2 g/cc | Appareil de mesure de la densité de la prise |
| Débit | 15-25 s/50g | Débitmètre à effet Hall |
| composition chimique | Certificat d'analyse | GDMS, ICP-MS |
Normes de qualification des pièces
| Standard | Détails |
|---|---|
| ASTM F3001 | Norme pour les pièces en titane AM |
| ASTM F2924 | Alliage de titane Ti-6Al-4V ELI |
| ASTM F3184 | Poudre d'alliage de titane |
| AMS7009 | Spécification des matériaux aérospatiaux |
| ISO 13485 | Dispositifs médicaux – ; Gestion de la qualité |
Principes de conception pour le titane AM
Une bonne conception des composants est cruciale pour exploiter les avantages de la fabrication additive avec le titane.
- Minimiser les surplombs pour éviter les structures de soutien
- Orienter les pièces pour faciliter l'enlèvement de la poudre
- Permettre le post-traitement comme le HIP et l'usinage
- Comprend des canaux intégrés pour un refroidissement conforme
- Consolider les assemblages en pièces uniques en titane
- Renforcer les régions soumises à de fortes contraintes à l'aide de treillis
- Optimiser les formes pour réduire le poids grâce à l'optimisation de la topologie
Fournisseurs de Impression 3D de poudre de titane
| Fournisseur | Années d'études proposées | Taille des poudres | Services complémentaires |
|---|---|---|---|
| AP&C | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti64, CP-Ti grades 1-4 | 15-45 μm | Analyse, test, tamisage, mélange, stockage |
| Additif pour charpentier | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo | 15-45 μm | Alliages sur mesure, développement de paramètres |
| Technologie LPW | Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-4V, CP-Ti grade 2 | 15-45 μm | Essais de matériaux, analyse de la réutilisation des poudres |
| Praxair | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI | 15-100 μm | Tamisage, mélange, stockage |
| Sandvik | Alliages de titane Osprey | 15-45 μm | Gestion du cycle de vie des poudres |
Coût : ~500-$1000 par kg mais dépend du volume de la commande, de la qualité, de la distribution de la taille, de la méthode d'atomisation du gaz, de la manipulation supplémentaire et des exigences en matière d'essais.
FAQ
Q : Quelles sont les méthodes utilisées pour imprimer en 3D des pièces en titane ?
R : Le titane est principalement imprimé par fusion sur lit de poudre à l'aide de la fusion sélective par laser (SLM) et de la fusion par faisceau d'électrons (EBM). Les méthodes à base de fil comme le dépôt de métal par laser (LMD) et le dépôt d'énergie dirigée par soudure (DED) sont également possibles mais moins courantes.
Q : La poudre de titane pour l'AM nécessite-t-elle un stockage ou une manipulation particulière ?
R : Oui, le titane réagit facilement avec l'air. La poudre doit donc être stockée et traitée sous atmosphère inerte en utilisant de l'argon ou de l'azote. Les environnements inflammables et les sources d'inflammation doivent être évités. Les opérateurs doivent porter un équipement de protection lorsqu'ils manipulent de la poudre de titane.
Q : Quelles sont les causes des problèmes de porosité dans les pièces AM en titane ?
R : Les vitesses de refroidissement élevées entraînent l'emprisonnement de gaz, ce qui provoque l'absence de défauts de fusion. L'optimisation des paramètres tels que la puissance, la vitesse, l'espacement des hachures, le décalage du foyer et la densité de la couche de poudre est nécessaire pour minimiser la porosité. Le pressage isostatique à chaud (HIP) peut également contribuer à densifier les pièces après l'impression initiale.
Q : Pourquoi est-il difficile d'obtenir des surfaces de titane lisses directement après le traitement AM ?
R : La poudre de titane partiellement fondue peut adhérer aux surfaces et donner une finition rugueuse. Le tambourinage, le sablage, le fraisage, le meulage et le polissage sont des opérations secondaires utilisées pour lisser les pièces imprimées en titane. Des procédés de finition chimique ou électrochimique sont également utilisés.
Q : Peut-on imprimer en 3D du titane commercialement pur ?
R : Oui, les grades 1 à 4 de poudre de titane CP non allié répondant aux normes ASTM telles que B348 pour la composition et la distribution de la taille des particules peuvent être utilisés pour imprimer des composants en titane pur pour des applications nécessitant une ductilité élevée telles que les implants osseux et les usines chimiques.