Pó de titânio para impressão 3D é um metal forte, leve e resistente à corrosão, ideal para a impressão 3D de peças complexas e duráveis para aplicações aeroespaciais, automotivas, médicas e outras aplicações avançadas. Este artigo fornece uma visão geral abrangente da metalurgia do pó de titânio, propriedades, aplicações e fornecedores para manufatura aditiva com titânio.
Visão geral do pó de titânio para impressão 3D
O titânio é um material desejável para a impressão 3D devido à sua alta relação força/peso, resistência à fadiga e à fratura e biocompatibilidade. Os pós de titânio permitem que as peças sejam impressas por processos de fusão de leito de pó com características finas e geometrias complexas.
Graus de titânio: As ligas de titânio comumente usadas para AM incluem Ti-6Al-4V (Ti64), Ti64 ELI, Ti comercialmente puro (CP) grau 2 e Ti 6242.
Produção de pó: O pó de titânio é produzido por atomização de gás, em que o titânio fundido é atomizado por um jato de gás inerte em partículas esféricas finas com distribuição de tamanho restrita. O processo de eletrodo rotativo de plasma (PREP) também é usado.
Tamanhos de pó: Os tamanhos típicos de pó variam de 15 a 45 mícrons. Os pós mais finos, em torno de 15 mícrons, permitem melhor resolução, enquanto o pó mais grosso, de 45 mícrons, permite taxas de construção mais altas.
Fluidez e reutilização: A morfologia esférica e a distribuição controlada do tamanho proporcionam boa fluidez. Em geral, o pó de titânio pode ser reutilizado de 10 a 20 vezes se manuseado adequadamente.
Segurança: O pó de titânio é altamente inflamável e reativo com o ar devido à sua natureza pirofórica. O manuseio adequado em uma atmosfera inerte é fundamental.
Composição e microestrutura
A composição do pó de titânio, a microestrutura, as fases presentes e os defeitos, como a porosidade, determinam as propriedades finais das peças impressas.
Composição elementar
| Liga metálica | Titânio | Alumínio | Vanádio | Ferro | Oxigênio | Nitrogênio | Hidrogênio |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V | Equilíbrio | 5.5-6.5% | 3.5-4.5% | <0,3% | <0,2% | <0,05% | <0,015% |
| Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo | Equilíbrio | 5.5-6.5% | – | – | – | – | – |
| CP Grau 2 Ti | 99,2% min | – | – | 0,3% máximo | 0,25% máximo | 0,03% máximo | 0,015% máximo |
Fases: As ligas de titânio contêm uma mistura de fases α hexagonal compactada e β cúbica centrada no corpo. As taxas de resfriamento no AM podem gerar fases fora do equilíbrio.
Defeitos: A falta de fusão, a porosidade e as microfissuras podem ocorrer e degradar as propriedades mecânicas. A prensagem isostática a quente (HIP) ajuda a reduzir os defeitos e a melhorar a consistência.
Estrutura do grão: Os grãos colunares prior-β ao longo da direção de construção são vistos nas ligas de titânio AM devido à rápida solidificação e ao crescimento epitaxial. As larguras dos grãos colunares influenciam a resistência.
Rugosidade da superfície: Os processos de fusão em leito de pó resultam em superfícies semi-lisas como impressas devido às partículas de pó parcialmente derretidas. Geralmente, é necessário um acabamento adicional.
Principais propriedades
As propriedades das peças de titânio impressas são influenciadas pela composição, porosidade, rugosidade da superfície, orientação da construção, tratamento térmico e direção do teste.
Propriedades físicas
| Propriedade | Ti-6Al-4V | CP Grau 2 Ti |
|---|---|---|
| Densidade (g/cc) | 4.42 | 4.51 |
| Ponto de fusão (°C) | 1604-1660 | 1668 |
Propriedades mecânicas
| Propriedade | Como impresso | Prensagem isostática a quente (HIP) | Moinho forjado e recozido |
|---|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | 900-1300 | 950-1150 | 860-965 |
| Resistência ao escoamento (MPa) | 800-1100 | 825-900 | 790-870 |
| Alongamento na ruptura (%) | 5-15 | 8-20 | 15-25 |
| Dureza (HRC) | 32-44 | 32-36 | 31-34 |
Vantagens
- Alta relação resistência/peso
- Mantém a resistência em temperaturas elevadas
- Resistente à fadiga, ao desgaste e à corrosão
- Bioinert - adequado para implantes médicos
- Pode resistir a tratamentos de esterilização
Limitações
- Material caro e processamento de AM
- Pó reativo e inflamável
- Propriedades anisotrópicas
- Menor ductilidade do que as formas forjadas
Aplicações de peças de titânio fabricadas aditivamente
A impressão 3D expande os usos do titânio em componentes mais leves, mais fortes e de maior desempenho em todos os setores.
Aeroespacial: Lâminas de turbina, estruturas de fuselagem e motor, antenas, trocadores de calor
Automotivo: Bielas, válvulas, rodas do turbocompressor, componentes do trem de força
Médico e odontológico: Implantes ortopédicos, próteses, instrumentos cirúrgicos, dispositivos compatíveis com o paciente
Petróleo e gás: Tubos, válvulas, componentes de cabeça de poço e separadores resistentes à corrosão
Bens de consumo: Equipamentos esportivos, como quadros de bicicletas, cabeças de tacos de golfe, armações de óculos
Ferramentas: Canais de resfriamento conformados leves integrados a moldes de injeção de metal, gabaritos e acessórios
Popular Pó de titânio para impressão 3D para AM
| Liga metálica | Formulários | Capacidade de impressão | Acabamento da superfície | Propriedades mecânicas |
|---|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V ELI | Componentes aeroespaciais, implantes biomédicos | Excelente | Moderado | Alta resistência, dureza e vida útil à fadiga |
| Ti-6Al-4V | Peças estruturais aeroespaciais, automotivas | Muito bom | Moderado | Força, resistência à fratura |
| Ti 6242 | Componentes de alta temperatura | Bom | Ruim | Força a 300°C, resistência à fluência |
| Titânio CP Grau 2 | Implantes médicos, fábricas de produtos químicos | Moderado | Muito bom | Ductilidade, resistência à corrosão |
Especificações e padrões
Requisitos rigorosos de qualidade são aplicados ao pó de titânio e às peças impressas de acordo com os padrões aeroespaciais e médicos.
Especificações do pó
| Parâmetro | Requisito | Método de teste |
|---|---|---|
| Tamanho da partícula | 15-45 μm | Difração de laser |
| Densidade aparente | ≥ 2,7 g/cc | Medidor de vazão Hall |
| Densidade da torneira | ≥ 3,2 g/cc | Testador de densidade de taps |
| Taxa de fluxo | 15-25 s/50g | Medidor de vazão Hall |
| Composição química | Certificado de análise | GDMS, ICP-MS |
Padrões de qualificação de peças
| Padrão | Detalhes |
|---|---|
| ASTM F3001 | Padrão para peças de titânio AM |
| ASTM F2924 | Liga de titânio Ti-6Al-4V ELI |
| ASTM F3184 | Matéria-prima pó de liga de titânio |
| AMS7009 | Especificação de material aeroespacial |
| ISO 13485 | Dispositivos médicos - Gerenciamento da qualidade |
Princípios de design para AM de titânio
O projeto adequado do componente é crucial para aproveitar os benefícios da manufatura aditiva com titânio.
- Minimize as saliências para evitar estruturas de suporte
- Orientar as peças para facilitar a remoção do pó
- Permitir o pós-processamento, como HIP e usinagem
- Inclui canais embutidos para resfriamento conformacional
- Consolidar montagens em peças únicas de titânio
- Reforce as regiões de alta tensão com treliças
- Otimizar formas para reduzir o peso por meio da otimização da topologia
Fornecedores de Pó de titânio para impressão 3D
| Fornecedor | Graus oferecidos | Tamanhos de pó | Serviços adicionais |
|---|---|---|---|
| AP&C | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti64, CP-Ti graus 1 a 4 | 15-45 μm | Análise, teste, peneiração, mistura, armazenamento |
| Aditivo Carpenter | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo | 15-45 μm | Ligas personalizadas, desenvolvimento de parâmetros |
| Tecnologia LPW | Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-4V, CP-Ti grau 2 | 15-45 μm | Teste de material, análise de reutilização de pó |
| Praxair | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI | 15-100 μm | Peneiramento, mistura, armazenamento |
| Sandvik | Ligas de titânio Osprey | 15-45 μm | Gerenciamento do ciclo de vida do pó |
Custo: ~$500-$1000 por kg, mas depende do volume do pedido, do grau, da distribuição de tamanho, do método de atomização de gás, do manuseio adicional e dos requisitos de teste.
perguntas frequentes
P: Quais métodos podem ser usados para imprimir peças de titânio em 3D?
R: O titânio é impresso principalmente por fusão de leito de pó usando fusão seletiva a laser (SLM) e fusão por feixe de elétrons (EBM). Métodos baseados em fios, como a deposição de metal a laser (LMD) e a deposição de energia direcionada (DED) baseada em solda, também são possíveis, mas menos comuns.
P: O pó de titânio para AM requer armazenamento ou manuseio especial?
R: Sim, o titânio reage prontamente com o ar, portanto o pó deve ser armazenado e processado em atmosfera inerte usando argônio ou nitrogênio. Ambientes inflamáveis e fontes de ignição devem ser evitados. Os operadores devem usar equipamentos de proteção ao manusear o pó de titânio.
P: O que causa problemas de porosidade em peças de titânio AM?
R: Altas taxas de resfriamento levam ao aprisionamento de gás, causando falta de defeitos de fusão. A otimização de parâmetros como potência, velocidade, espaçamento entre hachuras, deslocamento do foco e densidade da camada de pó é necessária para minimizar a porosidade. A prensagem isostática a quente (HIP) também pode ajudar a densificar as peças após a impressão inicial.
P: Por que é difícil obter superfícies lisas de titânio diretamente após o processamento AM?
R: O pó de titânio parcialmente derretido pode aderir às superfícies, causando um acabamento áspero. Tombamento, jateamento de areia, fresagem, esmerilhamento e polimento são operações secundárias usadas para alisar peças impressas de titânio. Também são usados processos de acabamento químico ou eletroquímico.
P: É possível imprimir titânio comercialmente puro em 3D?
R: Sim, o pó de titânio CP não ligado de graus 1 a 4 que atende aos padrões ASTM, como o B348, para composição e distribuição de tamanho de partícula pode ser usado para imprimir componentes de titânio puro para aplicações que necessitam de alta ductilidade, como implantes ósseos e fábricas de produtos químicos.