3 boyutlu baskı titanyum tozu havacılık, otomotiv, tıp ve diğer gelişmiş uygulamalar için karmaşık ve dayanıklı parçaların 3D baskısı için ideal olan güçlü, hafif ve korozyona dayanıklı bir metaldir. Bu makale, titanyum ile katkı üretimi için titanyum tozu metalurjisi, özellikleri, uygulamaları ve tedarikçilerine kapsamlı bir genel bakış sunmaktadır.
3d baskı titanyum tozuna genel bakış
Titanyum, yüksek mukavemet/ağırlık oranı, yorulma ve kırılma direnci ve biyouyumluluğu nedeniyle 3D baskı için arzu edilen bir malzemedir. Titanyum tozları, ince özelliklere ve karmaşık geometrilere sahip parçaların toz yatak füzyon işlemleriyle basılmasına olanak tanır.
Titanyum kaliteleri: AM için yaygın olarak kullanılan titanyum alaşımları arasında Ti-6Al-4V (Ti64), Ti64 ELI, ticari olarak saf (CP) Ti sınıfı 2 ve Ti 6242 bulunur.
Toz üretimi: Titanyum tozu, erimiş titanyumun, sıkı boyut dağılımına sahip ince küresel partiküller halinde bir inert gaz jeti ile atomize edildiği gaz atomizasyonu ile üretilir. Plazma döner elektrot işlemi (PREP) de kullanılır.
Toz boyutları: Tipik toz boyutları 15-45 mikron aralığındadır. 15 mikron civarındaki daha ince tozlar daha iyi çözünürlük sağlarken, daha kaba 45 mikron toz daha yüksek yapı hızlarına izin verir.
Akışkanlık ve yeniden kullanım: Küresel morfoloji ve kontrollü boyut dağılımı iyi akışkanlık sağlar. Titanyum tozu, uygun şekilde işlenirse genellikle 10-20 kez yeniden kullanılabilir.
Güvenlik: Titanyum tozu, piroforik doğası nedeniyle havayla son derece yanıcı ve reaktiftir. İnert bir atmosferde uygun kullanım kritiktir.
Bileşim ve Mikro yapı
Titanyum tozu bileşimi, mikro yapısı, mevcut fazlar ve gözeneklilik gibi kusurlar, basılı parçaların nihai özelliklerini belirler.
Elementel bileşim
| Alaşım | Titanyum | Alüminyum | Vanadyum | Demir | Oksijen | Azot | Hidrojen |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V | Denge | 5.5-6.5% | 3.5-4.5% | <%0.3 | <%0.2 | <%0.05 | <%0.015 |
| Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo | Denge | 5.5-6.5% | – | – | – | – | – |
| CP Sınıf 2 Ti | .2 min | – | – | %0.3 maks | %0.25 maks | %0.03 maks | %0.015 maks |
Fazlar: Titanyum alaşımları, α altıgen yakın paketlenmiş ve β gövde merkezli kübik fazların karışımını içerir. AM'deki soğuma oranları, dengesiz fazlar oluşturabilir.
Kusurlar: Füzyon eksikliği, gözeneklilik, mikro çatlaklar meydana gelebilir ve mekanik özellikleri bozabilir. Sıcak izostatik presleme (HIP), kusurları azaltmaya ve tutarlılığı iyileştirmeye yardımcı olur.
Tane yapısı: Hızlı katılaşma ve epitaksiyal büyüme nedeniyle AM titanyum alaşımlarında yapı yönünde sütunlu ön-β taneleri görülür. Sütunlu tanelerin genişlikleri mukavemeti etkiler.
Yüzey pürüzlülüğü: Toz yatak füzyon işlemleri, kısmen erimiş toz partikülleri nedeniyle basılı yüzeyler üzerinde yarı pürüzsüz yüzeylere yol açar. Ek son işlem genellikle gereklidir.
Anahtar Özellikler
Basılı titanyum parçaların özellikleri, bileşim, gözeneklilik, yüzey pürüzlülüğü, yapı yönü, ısıl işlem ve test yönünden etkilenir.
Fiziksel özellikler
| Mülkiyet | Ti-6Al-4V | CP Sınıf 2 Ti |
|---|---|---|
| Yoğunluk (g/cc) | 4.42 | 4.51 |
| Erime noktası (°C) | 1604-1660 | 1668 |
Mekanik özellikler
| Mülkiyet | Basılı olarak | Sıcak izostatik preslenmiş (HIP) | İşlenmiş haddehanede tavlanmış |
|---|---|---|---|
| Çekme mukavemeti (MPa) | 900-1300 | 950-1150 | 860-965 |
| Akma dayanımı (MPa) | 800-1100 | 825-900 | 790-870 |
| Kopmada uzama (%) | 5-15 | 8-20 | 15-25 |
| Sertlik (HRC) | 32-44 | 32-36 | 31-34 |
Avantajlar
- Yüksek mukavemet/ağırlık oranı
- Yüksek sıcaklıklarda mukavemeti korur
- Yorulmaya, aşınmaya ve korozyona karşı dayanıklıdır
- Biyo-inert - tıbbi implantlar için uygundur
- Sterilizasyon işlemlerine dayanabilir
Sınırlamalar
- Pahalı malzeme ve AM işleme
- Reaktif ve yanıcı toz
- Anizotropik özellikler
- İşlenmiş formlardan daha düşük süneklik
Katkı Üretimli Titanyum Parçaların Uygulamaları
3D baskı, titanyumun kullanım alanlarını, endüstrilerde daha hafif, daha güçlü ve daha yüksek performanslı bileşenlere genişletir.
İç kanallardan fazla tozu çıkarmak için gereklidir Türbin kanatları, uçak gövdesi ve motor yapıları, antenler, ısı eşanjörleri
Otomotiv: Bağlantı çubukları, valfler, turboşarj tekerlekleri, güç aktarma organları bileşenleri
Tıbbi ve diş: Ortopedik implantlar, protezler, cerrahi aletler, hasta eşleşmeli cihazlar
Petrol ve gaz: Korozyona dayanıklı borular, valfler, kuyu başı bileşenleri, ayırıcılar
Tüketim malları: Bisiklet çerçeveleri, golf sopası kafaları, gözlük çerçeveleri gibi spor ekipmanları
Aletler: Metal enjeksiyon kalıplarına, jiglere, fikstürlere entegre edilmiş hafif konformal soğutma kanalları
Popüler 3 boyutlu baskı titanyum tozu AM için
| Alaşım | Uygulamalar | Yazdırılabilirlik | Yüzey İşlemi | Mekanik Özellikler |
|---|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V ELI | Havacılık bileşenleri, biyomedikal implantlar | Mükemmel | Orta düzeyde | Yüksek mukavemet, sertlik, yorulma ömrü |
| Ti-6Al-4V | Yapısal havacılık parçaları, otomotiv | Çok iyi | Orta düzeyde | Mukavemet, kırılma tokluğu |
| Ti 6242 | Yüksek sıcaklık bileşenleri | İyi | Zayıf | 300°C'de mukavemet, sürünme direnci |
| CP Sınıf 2 Titanyum | Tıbbi implantlar, kimyasal tesisler | Orta düzeyde | Çok iyi | Süneklik, korozyon direnci |
Teknik Özellikler ve Standartlar
Havacılık ve tıp standartlarına göre titanyum tozu ve basılı parçalar için katı kalite gereksinimleri uygulanmaktadır.
Toz özellikleri
| Parametre | Gereklilik | Beklenen parça boyutlarına uygunluk, destek yapıları için ödenekler |
|---|---|---|
| Parçacık boyutu | 15-45 μm | Lazer kırınımı |
| Görünür yoğunluk | ≥ 2.7 g/cc | Hall akış ölçer |
| Musluk yoğunluğu | ≥ 3.2 g/cc | Musluk yoğunluk test cihazı |
| Akış hızı | 15-25 s/50g | Hall akış ölçer |
| Kimyasal bileşim | Analiz sertifikası | GDMS, ICP-MS |
Parça kalifikasyon standartları
| Standart | Detaylar |
|---|---|
| ASTM F3001 | AM titanyum parçaları için standart |
| ASTM F2924 | Titanyum alaşımı Ti-6Al-4V ELI |
| ASTM F3184 | Besleme stoğu titanyum alaşımlı tozu |
| AMS7009 | Havacılık malzemesi spesifikasyonu |
| ISO 13485 | Tıbbi cihazlar - Kalite yönetimi |
Titanyum AM için Tasarım İlkeleri
Katkı üretimi ile titanyumun faydalarını kullanmak için uygun bileşen tasarımı çok önemlidir.
- Destek yapılarını önlemek için çıkıntıları en aza indirin
- Tozun daha kolay çıkarılmasını sağlamak için parçaları yönlendirin
- HIP ve işleme gibi son işlemeye izin verin
- Konformal soğutma için yerleşik kanallar ekleyin
- Montajları tek titanyum parçalara birleştirin
- Yüksek gerilim bölgelerini kafeslerle güçlendirin
- Topoloji optimizasyonu yoluyla ağırlık azaltımı için şekilleri optimize edin
Tedarikçiler 3 boyutlu baskı titanyum tozu
| Tedarikçi | Verilen Sınıflar | Toz Boyutları | Ek Hizmetler |
|---|---|---|---|
| AP&C | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti64, CP-Ti sınıfları 1-4 | 15-45 μm | Analiz, test, eleme, karıştırma, depolama |
| Marangoz Katkısı | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo | 15-45 μm | Özel alaşımlar, parametre geliştirme |
| LPW Teknoloji | Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-4V, CP-Ti sınıfı 2 | 15-45 μm | Malzeme testi, toz yeniden kullanım analizi |
| Praxair | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI | 15-100 μm | Eleme, karıştırma, depolama |
| Sandvik | Osprey titanyum alaşımları | 15-45 μm | Toz yaşam döngüsü yönetimi |
Maliyet: ~500-1000 ABD Doları/kg, ancak sipariş hacmine, kalitesine, boyut dağılımına, gaz atomizasyon yöntemine, ek işlemeye ve test gereksinimlerine bağlıdır.
SSS
S: Titanyum parçaları 3D yazdırmak için hangi yöntemler kullanılabilir?
C: Titanyum, öncelikle seçici lazer eritme (SLM) ve elektron ışınlı eritme (EBM) kullanılarak toz yatak füzyonu ile basılır. Lazer metal biriktirme (LMD) ve kaynak tabanlı yönlendirilmiş enerji biriktirme (DED) gibi tel tabanlı yöntemler de mümkündür ancak daha az yaygındır.
S: AM için titanyum tozu özel depolama veya işleme gerektirir mi?
C: Evet, titanyum havayla kolayca reaksiyona girer, bu nedenle toz argon veya azot gazı kullanılarak inert bir atmosferde saklanmalı ve işlenmelidir. Yanıcı ortamlardan ve ateşleme kaynaklarından kaçınılmalıdır. Operatörler titanyum tozunu kullanırken koruyucu ekipman giymelidir.
S: Titanyum AM parçalarında gözeneklilik sorunlarına ne neden olur?
A: Yüksek soğuma oranları, füzyon eksikliklerine neden olan gaz tutulmasına yol açar. Gözenekliliği en aza indirmek için güç, hız, hat aralığı, odak kayması ve toz katmanı yoğunluğu gibi parametrelerin optimizasyonu gereklidir. Sıcak izostatik presleme (HIP) ayrıca ilk baskıdan sonra parçaların yoğunlaştırılmasına yardımcı olabilir.
S: AM işleminden hemen sonra doğrudan pürüzsüz titanyum yüzeyleri elde etmek neden zordur?
A: Kısmen erimiş titanyum tozu yüzeylere yapışarak pürüzlü bir yüzey oluşturabilir. Tamburlama, kumlama, frezeleme, taşlama ve parlatma, titanyum basılı parçaları düzleştirmek için kullanılan ikincil işlemlerdir. Kimyasal veya elektrokimyasal son işlem süreçleri de kullanılır.
S: Ticari olarak saf titanyumun 3B baskısını alabilir misiniz?
A: Evet, bileşim ve parçacık boyutu dağılımı için B348 gibi ASTM standartlarını karşılayan 1'den 4'e kadar olan alaşımsız CP titanyum tozu, kemik implantları ve kimyasal tesisler gibi yüksek süneklik gerektiren uygulamalar için saf titanyum bileşenleri basmak için kullanılabilir.
