Com o rápido avanço da tecnologia de impressão 3D, consumíveis de impressão 3D, especialmente Pó de metal para impressão 3D, também estão se desenvolvendo rapidamente. Isso inclui o uso de pó de titânio e pó de liga de titânio, pó de liga de titânio e alumínio, etc., o que é particularmente notável.
O pó esférico de liga de titânio é o mais amplamente utilizado pó de metal material em impressão 3D. Portanto, este artigo se concentrará em vários métodos de preparação de pós esféricos de liga de titânio e em uma perspectiva de suas futuras aplicações.
A liga de titânio tem baixa densidade, alta resistência, boa resistência à corrosão e alto ponto de fusão, etc. É um dos metais mais comumente usados para tecnologia de fabricação de aditivos e é amplamente utilizado como peças estruturais nas áreas de aviação, aeroespacial, automotivo e biotecnologia.
Preparação de pó de liga de titânio
Também sabemos que uma das principais tecnologias de impressão 3D, Derretimento seletivo a laser (SLM), é adequado para a fabricação de peças pequenas, precisas e complexas. Esta técnica requer um tamanho de partícula estreito de pó de liga de titânio e requer um alto grau de esfericidade, pureza e fluidez do pó.
Podemos saber que o equipamento PREP pode produzir pó de liga de titânio com boa esfericidade, fluidez e pureza para atender aos requisitos de seu uso depois de comparar vários métodos de preparação de pó comuns, como Atomização de Gás Inerte a Vácuo (VIGA), Atomização de Gás de Indução de Eletrodo (EIGA ), Processo de Eletrodo Rotativo de Plasma (PREP), Atomização de Plasma (PA) e Esferoidização de Plasma (PS).
O Processo de Eletrodo Rotativo de Plasma (PREP) é um dos métodos mais comuns para a preparação de pós esféricos de liga de titânio. O princípio é usar uma barra de liga de titânio como um eletrodo de autoconsumo e manter o eletrodo girando em alta velocidade enquanto o plasma é usado como uma fonte de calor para derreter gradualmente o eletrodo.
O método de eletrodo rotativo convencional (REP) usa um eletrodo de tungstênio, que também pode ser corroído durante a atomização do metal e entrar no pó como um componente de impureza.
Em 1985, o Instituto Noroeste de Metais Não Ferrosos projetou e desenvolveu de forma independente o primeiro equipamento PREP na China.
O processo de preparação para o PREP que eles usam é que o eletrodo rotativo de alta velocidade (matéria-prima) é derretido pelo arco de plasma sob a proteção da atmosfera inerte de alta pureza, e o metal fundido é expulso por grande força centrífuga para ser atomizado pela atmosfera inerte e condensado em pós esféricos ao entrar em contato com a parede interna da câmara fria.
Usando essa tecnologia e sistema, podemos obter alta esfericidade do pó (acima de 90%), baixa porosidade e pós de satélite. Que atende totalmente os requisitos do pó de liga de titânio de que precisamos.
Aplicação de pó de liga de titânio
Como mencionado acima, os pós de liga de titânio são usados em uma ampla gama de aplicações, portanto, listaremos apenas alguns deles aqui para referência.
A liga de titânio é amplamente utilizada na área médica para fazer implantes de articulações, próteses, etc. Devido à alta usinabilidade das ligas de titânio, diferenças individuais podem ser alcançadas longe dos designs tradicionais, melhorando assim a adaptabilidade dos dispositivos médicos. Além disso, o curto ciclo de processamento do titânio impresso em 3D tem implicações de longo prazo para pacientes com doenças como tumores ósseos.
A alta resistência, alta temperatura e resistência à corrosão do titânio e ligas de titânio os tornaram um novato no setor aeroespacial e foram rapidamente adotados nos últimos anos com o desenvolvimento e aplicação da tecnologia de impressão 3D. Na indústria aeroespacial, o titânio e as ligas de titânio são mais leves, mais fortes e mais dúcteis do que os materiais comuns. Sua resistência à corrosão também o torna cada vez mais competitivo para aplicações marítimas e aeronáuticas.
Como um importante consumível para impressão 3D, a aplicação e o desenvolvimento de ligas de titânio nas indústrias aeroespacial, automotiva e biomédica também impulsionaram o desenvolvimento da tecnologia de impressão 3D.
As perspectivas de desenvolvimento de Pó de liga de titânio
Definida por alguns como a Quarta Revolução Tecnológica, a manufatura aditiva já é amplamente vista pela indústria como um dos desenvolvimentos tecnológicos mais avançados e promissores na manufatura inteligente, e o desenvolvimento de materiais metálicos como consumíveis de impressão cresceu rapidamente em resposta.
De acordo com a consultoria SmarTech, o mercado global de manufatura aditiva de pós de metal deve atingir US$11 bilhões em 2024.
Titânio e ligas de titânio são amplamente utilizados na indústria aeroespacial, automotiva, biomédica e outros campos devido à sua excelente resistência e tenacidade, resistência à corrosão, baixa densidade e biocompatibilidade, e a demanda do mercado é muito promissora.
A aplicação e o desenvolvimento da tecnologia de plasma fornecem suporte técnico para a preparação de pó de liga de titânio.
Embora o processo de eletrodo giratório de plasma seja limitado por fatores como a velocidade do eletrodo e o tamanho de partícula grosseira do pó obtido, alguns institutos de pesquisa de equipamentos de fabricação de pó estão trabalhando para resolver esse problema.
Com o desenvolvimento e promoção de equipamentos rotativos de plasma, o custo do pó de titânio e liga de titânio no campo da impressão 3D será gradualmente reduzido e também promoverá a ampla aplicação de pó metálico no campo da manufatura aditiva.
Temos motivos para acreditar que a impressão 3D mudará nossas vidas em muitas outras áreas no futuro, e a preparação e o desenvolvimento de pó de liga de titânio influenciarão profundamente esse processo.
Additional FAQs: Titanium Alloy Powder and 3D Printing
1) Which titanium alloy powder grades are most used for AM and why?
- Ti6Al4V (Grade 5/23 ELI) dominates due to strength-to-weight, weldability, and biocompatibility. Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo and Ti-5553 appear in aerospace for higher temperature or strength; CP-Ti (Grade 2) is used for corrosion resistance and formability.
2) What particle size and sphericity are optimal for common AM processes?
- LPBF: 15–45 µm, high sphericity (>90%) for flowability and packing.
- EBM: 45–105 µm to suit elevated preheats and larger melt pools.
- DED: 50–150 µm with consistent flow. PREP/EIGA/PA routes yield excellent sphericity and low satellites.
3) How do oxygen and nitrogen contents affect titanium alloy powder performance?
- Interstitials (O, N) raise strength but reduce ductility and fatigue life. AM-grade Ti6Al4V ELI often targets O ≤ 0.13 wt% and N ≤ 0.05 wt%. Tight humidity control limits O pickup during storage/reuse.
4) PREP vs. VIGA/EIGA/PA: when to choose each for titanium alloy powder?
- PREP: clean, high-sphericity powder with very low inclusions—excellent for medical/aerospace; typically narrower PSD, higher cost.
- VIGA/EIGA: scalable gas atomization; EIGA avoids electrode/contact contamination.
- PA/PS: very spherical, fine PSD; favored for LPBF where low satellites and flow are critical.
5) What post-processing is typical for AM titanium parts?
- Stress relief, HIP for defect closure and isotropy, machining, surface finishing (grit blasting, chemical milling/electropolish), and tailored heat treatments to tune alpha/beta microstructure. For implants: cleaning, passivation, and validation per medical QMS.
2025 Industry Trends: Titanium Alloy Powder
- Medical scale-up: More lattice implants in Grade 23 with validated powder genealogy and in-line O/N/H monitoring.
- Aerospace productivity: Multi-laser LPBF and software-driven scan strategies cut cycle times 10–20% for Ti6Al4V brackets and ducts.
- Feedstock sustainability: Closed-loop recycling of oversize/unused powder with certified impurity limits; EPDs requested by OEMs.
- Process convergence: PREP and EIGA powders increasingly co-qualified as suppliers demonstrate consistent PSD and interstitial control.
- Design maturation: Functionally graded lattices and thin-wall heat exchangers push demand for tighter PSD and low-satellite content.
2025 Titanium Alloy Powder Snapshot (Indicative)
| Métrico | 2023 | 2024 | 2025 YTD (Aug) | Notas |
|---|---|---|---|---|
| Global titanium AM powder demand (kt) | ~10.4 | ~11.2 | ~12.1 | Driven by aerospace + medical |
| AM-grade Ti6Al4V price (USD/kg) | 180–260 | 170–240 | 160–230 | Scale, reuse, competition |
| Typical O spec (Grade 23, wt%) | ≤0.13 | ≤0.12 | ≤0.11 | Tighter interstitial control |
| LPBF average build-rate gain vs. 2023 | — | +8–12% | +10–20% | Multi-laser and scan tuning |
| Share of PREP/EIGA in medical Ti powders (%) | ~46 | ~50 | ~54 | Inclusion control emphasis |
| Reused powder share in AM builds (%) | 30–40 | 35–45 | 40–50 | With genealogy + O/N/H limits |
Sources:
- ASTM/ISO AM standards: https://www.astm.org, https://www.iso.org
- FDA device databases and AM guidance: https://www.fda.gov/medical-devices
- MPIF and industry trackers (Context/Wohlers-type reports)
- Supplier technical notes (AP&C/GE Additive, EOS, Höganäs, Carpenter Additive)
Latest Research Cases
Case Study 1: High-Fatigue Ti6Al4V ELI Lattice Implants via LPBF (2025)
Background: A medical OEM needed higher fatigue performance and osseointegration for acetabular cups.
Solution: Used ELI powder (D50 ~30 µm, O=0.10 wt%) from EIGA route; gradient lattice (60–80% porosity), contour remelts, HIP, and surface roughening (Ra 20–35 µm) with validated cleaning.
Results: 25–30% increase in high-cycle fatigue life; early osseointegration improved in pilot cohort; powder reuse extended to 10 cycles with O ≤ 0.12 wt%.
Case Study 2: Thin-Wall Ti6Al4V Heat Exchangers with PREP Powder (2024)
Background: An aerospace supplier targeted compact, leak-tight exchangers for bleed-air cooling.
Solution: PREP Ti6Al4V powder (15–45 µm, high sphericity) with adaptive hatch/contour and 200°C plate preheat; selective HIP for core; chemical milling to uniformize walls.
Results: Helium leak ≤1×10^-9 mbar·L/s, density ≥99.7% in HIPed zones; mass reduced 18% vs. brazed assembly; build time -12% using optimized scan order.
Expert Opinions
- Prof. Amy J. Clarke, Professor of Metallurgy, Colorado School of Mines
- “Powder PSD stability and interstitial control across reuse cycles are as critical to fatigue scatter as the post-build HIP for Ti6Al4V.”
- Dr. Martin Wegener, Head of Materials and Processes, EOS GmbH
- “For titanium alloy powder, scan strategy and preheat management now rival hardware in achieving density and consistent surface quality on thin walls.”
- Dr. Dirk N. Schwab, Head of R&D, Plansee High Performance Materials
- “PREP and EIGA powders can both meet medical/aerospace needs when oxygen and inclusions are tightly controlled—supplier genealogy is decisive.”
Practical Tools and Resources
- ISO/ASTM 52907 (AM feedstock requirements), ISO/ASTM 52904 (LPBF of metals): https://www.iso.org
- ASTM F3001 (Ti-6Al-4V ELI AM), ASTM F2924 (PBF Ti-6Al-4V), ASTM F3302 (AM material specs): https://www.astm.org
- FDA Technical Considerations for Additive Manufactured Medical Devices: https://www.fda.gov/medical-devices
- NIST AM-Bench (datasets for melt pool/porosity studies): https://www.nist.gov/ambench
- Senvol Database for machine–material mapping: https://senvol.com
- OEM application notes: GE Additive/AP&C, EOS, SLM Solutions, Renishaw
- OSHA/NIOSH combustible dust and metal powder handling: https://www.osha.gov, https://www.cdc.gov/niosh
Last updated: 2025-08-25
Changelog: Added 5 targeted FAQs; inserted a 2025 trends snapshot with metrics table and sources; provided two recent case studies; included expert viewpoints; curated standards and resource links
Next review date & triggers: 2026-02-01 or earlier if ASTM/ISO/FDA guidance updates, major OEM qualifications change reuse limits, or market demand shifts >10% in aerospace/medical segments
