Przegląd
Metaliczny proszek tytanu to drobnoziarnista forma tytanu metalicznego wykorzystywana w różnych zastosowaniach produkcyjnych. Oferuje doskonały stosunek wytrzymałości do wagi, odporność na korozję i biokompatybilność, dzięki czemu nadaje się do stosowania w komponentach lotniczych, implantach medycznych, sprzęcie sportowym, częściach samochodowych i nie tylko.
Proszek tytanowy może być wytwarzany różnymi metodami, w tym poprzez atomizację stopionego tytanu, elektrolizę związków tytanu i bezpośrednią redukcję rud tytanu. Właściwości i wydajność proszku zależą od techniki produkcji, a także od obróbki końcowej. Krytyczne cechy, które określają jakość i użyteczność proszku tytanowego, obejmują rozkład wielkości cząstek, morfologię, płynność proszku, gęstość pozorną i poziomy zanieczyszczeń.
Rodzaje Metaliczny proszek tytanu
| Typ | Metoda produkcji | Wielkość cząstek | Morfologia | Gęstość pozorna | Płynność | Zastosowania |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Rozpylony | Atomizacja gazowa lub plazmowa stopionego tytanu | 10 - 250 μm | Kulisty, ziarnisty | 2,2 - 3,8 g/cc | Dobry | Produkcja addytywna, MIM |
| Wodorek-wodorki (HDH) | Uwodornianie i odwodornianie złomu tytanu | <250 μm | Nieregularny, gąbczasty | 1 - 2,5 g/cc | Słaby | Formowanie wtryskowe metali |
| Proces elektrody rotacyjnej | Elektroliza związków tytanu | 5 - 150 μm | Dendrytyczny | 2 - 3 g/cc | Uczciwy | Produkcja addytywna |
| Redukcja glinotermiczna | Redukcja chemiczna za pomocą aluminium | 50 - 500 μm | Nieregularny, porowaty | 1,5 - 3 g/cc | Uczciwy | Metalizacja ogniotrwała |
Rozpylony proszek tytanu ma kulistą morfologię z dobrą charakterystyką płynięcia i upakowania. Nadaje się do wymagających zastosowań w produkcji addytywnej i formowaniu wtryskowym metali.
Proszek wodorkowo-wodorkowy ma niższą gęstość i słaby przepływ w porównaniu do rozpylonego proszku. Jest on używany głównie do formowania wtryskowego metali ze względu na niższy koszt.
Proces elektrody rotacyjnej w proszku ma unikalne dendrytyczne cząstki zapewniające wysoką gęstość spieku. Jest stosowany w metodach produkcji addytywnej, takich jak topienie wiązką elektronów.
Skład proszku tytanowo-metalowego
Metaliczne proszki tytanu są ogólnie podzielone na cztery klasy w oparciu o zawartość tlenu i żelaza zgodnie z normami ASTM:
| Klasa | Tlen (wt%) | Żelazo (wt%) | Inne elementy |
|---|---|---|---|
| Klasa 1 | 0.18 | 0.20 | N, C, H |
| Klasa 2 | 0.25 | 0.30 | N, C, H |
| Klasa 3 | 0.35 | 0.30 | N, C, H |
| Klasa 4 | 0.40 | 0.50 | N, C, H |
Główne pierwiastki stopowe w proszku tytanowym obejmują:
- Aluminium (Al) - poprawia wytrzymałość i odporność na obróbkę cieplną
- Wanad (V) - zwiększa wytrzymałość i plastyczność
- Cyna (Sn) - poprawia odporność na pełzanie
- Cyrkon (Zr) - uszlachetnia ziarna
Pierwiastki śladowe, takie jak azot, węgiel, wodór i żelazo, również mają znaczący wpływ na właściwości mechaniczne. Ścisła kontrola składu chemicznego jest niezbędna do osiągnięcia optymalnej wydajności.
Właściwości proszku tytanowo-metalowego
| Nieruchomość | Wartość | Znaczenie |
|---|---|---|
| Gęstość | 4,5 g/cm3 | Niższa niż w przypadku stali i stopów niklu |
| Temperatura topnienia | 1660°C | Zachowuje wytrzymałość w wysokich temperaturach |
| Siła | 900 - 1200 MPa | Mocniejszy niż aluminium |
| Moduł sprężystości | 100 - 120 GPa | Niższy moduł niż w przypadku stali |
| Wydłużenie | 15 – 25% | Dobra ciągliwość |
| Odporność na korozję | Doskonały | Ze względu na ochronną warstwę tlenku |
| Biokompatybilność | Doskonały | Nadaje się do implantów medycznych |
| Przewodność cieplna | 7 - 16 W/m.K | Niższa niż w przypadku aluminium i stali |
Właściwości gotowych elementów tytanowych zależą od charakterystyki proszku, a także od sposobu produkcji części. Duży wpływ ma porowatość, wykończenie powierzchni, obróbka cieplna itp.
Kluczowe zalety tytanu metalicznego obejmują wysoką wytrzymałość właściwą, odporność na korozję, trwałość zmęczeniową i biokompatybilność. Ograniczenia obejmują wysoką reaktywność w podwyższonych temperaturach, wymagającą atmosfery obojętnej do przenoszenia i przetwarzania proszku. Stopy tytanu mogą być również trudniejsze w obróbce w porównaniu do innych metali ze względu na niską przewodność cieplną powodującą miejscowe nagrzewanie podczas obróbki.
Zastosowania Metaliczny proszek tytanu
| Zastosowanie | Przykłady | Wymagane właściwości proszku |
|---|---|---|
| Produkcja addytywna | Komponenty lotnicze i kosmiczne, implanty ortopedyczne | Sferyczna morfologia, kontrolowany rozkład wielkości cząstek poniżej 100 μm, wysoka czystość |
| Formowanie wtryskowe metali | Implanty dentystyczne, elementy złączne | Nieregularny proszek poniżej 25 μm odpowiedni do mieszania spoiwa |
| Metalizacja ogniotrwała | Powłoki tytanowe na podłożach metalowych | Szeroki zakres rozmiarów proszków od 5 μm do 500 μm |
| Metalurgia proszków | Pręty łączące, wały napędowe | Ścisła kontrola zawartości tlenu i azotu, dobra ściśliwość i spiekalność |
| Powłoki natryskiwane termicznie | Powłoki ochronne do zastosowań morskich | Specjalny proszek plazmowy o zoptymalizowanym rozkładzie wielkości cząstek |
| Pirotechnika | Flary, materiały wybuchowe | Grubszy proszek powyżej 150 μm odpowiedni do formuł paliw metalowych |
Drobne proszki o wielkości poniżej 100 mikronów są preferowane do produkcji addytywnej w celu uzyskania dobrej rozdzielczości i właściwości mechanicznych. W przypadku zastosowań prasowanych i spiekanych, kulista morfologia zapewnia optymalną gęstość, podczas gdy nieregularne cząstki są preferowane w przypadku surowców do formowania wtryskowego metali.
Specyfikacje dla tytanu w proszku
Normy ASTM dla różnych gatunków proszku tytanowego:
| Standard | Opis | Objęte klasy |
|---|---|---|
| ASTM B849 | Standard dla wstępnie stopionego proszku tytanu do MIM | Klasy od 1 do 4 |
| ASTM B981 | Norma dla stopów tytanu na powłoki natryskiwane cieplnie | Klasa 1 i 2 |
| ASTM B983 | Norma dla proszku wodorku tytanu do MIM | Klasy od 1 do 4 |
Inne specyfikacje proszku tytanowego:
| Parametr | Typowe wartości | Metody testowe |
|---|---|---|
| Rozkład wielkości cząstek | 10 μm do 150 μm | Dyfrakcja laserowa, analiza sitowa |
| Gęstość pozorna | 1 do 4 g/cc | Przepływomierz Halla, wolumetr Scotta |
| Gęstość kranu | 70 do 80% rzeczywistej gęstości ciała stałego | ASTM B527 |
| Morfologia proszku | Sferyczne, ziarniste, gąbczaste, dendrytyczne | SEM, mikroskopia optyczna |
| Natężenie przepływu | 25 do 35 s/50 g | Przepływomierz Halla |
| Utrata przy zapłonie | 0.1 do 2 wt% | ASTM E1019 |
| Wodór resztkowy | 100 do 500 ppm | Fuzja gazów obojętnych LECO |
Dostawcy Metaliczny proszek tytanu
| Dostawca | Metoda produkcji | Klasa proszku | Wielkość cząstek |
|---|---|---|---|
| AP&C | Atomizacja plazmowa | Klasa 1, 2, 5 | 10 do 45 μm |
| TLS Technik | Atomizacja gazu | Klasa 23 | 45 do 150 μm |
| AMETEK | Elektroda obrotowa | Klasa 2 | 5 do 63 μm |
| Puris | Wodorek-wodnik | Klasa 2 | Do 150 μm |
Orientacyjne ceny tytanu w proszku:
| Klasa | Ceny ($/kg) |
|---|---|
| Klasa 1 | 50 do 150 |
| Klasa 2 | 40 do 100 |
| Klasa 5 | 250 do 500 |
Rabaty hurtowe mogą być dostępne dla dużych zamówień powyżej 100 kg. Rzeczywiste ceny różnią się w zależności od ilości, wymagań jakościowych, czasu realizacji itp.
Porównanie metod produkcji proszku tytanowego
| Parametr | Atomizacja gazu | Atomizacja plazmowa | Proces HDH | Elektroda obrotowa |
|---|---|---|---|---|
| Morfologia | Ziarnisty, kulisty | Wysoce sferyczny | Gąbka, nieregularna | Dendrytyczny |
| Odbiór tlenu | Umiarkowany | Niski | Wysoki | Niski |
| Przepustowość | Umiarkowany | Niski | Wysoki | Umiarkowany |
| Koszt | Umiarkowany | Wysoki | Niski | Umiarkowany |
| Typowe zastosowania | AM, MIM | AM, lotnictwo i kosmonautyka | MIM | AM |
Żadna pojedyncza metoda produkcji nie zapewnia najlepszej równowagi pomiędzy jakością i ekonomią. Większość producentów specjalizuje się w jednej technologii i oferuje różne gatunki przeznaczone do różnych zastosowań. Jakość i powtarzalność proszku ma krytyczne znaczenie dla wymagających zastosowań, podczas gdy koszt jest większym czynnikiem napędzającym produkty o dużej objętości.
Najczęściej zadawane pytania
P: Jaka jest różnica między proszkiem tytanowym klasy 1, 2, 3 i 4?
O: Gatunki różnią się w zależności od dopuszczalnej zawartości tlenu i żelaza. Klasa 1 ma najniższe poziomy tlenu, podczas gdy klasa 4 dopuszcza wyższe poziomy zanieczyszczeń. Niższe klasy zapewniają doskonałe właściwości mechaniczne, podczas gdy wyższe klasy obniżają koszty.
P: Jakiej wielkości cząstek proszku tytanowego potrzebuję do produkcji addytywnej?
O: W przypadku większości procesów AM optymalny zakres wielkości cząstek wynosi od 10 do 45 mikronów. Drobniejsze proszki poniżej 100 mikronów zapewniają dobrą rozdzielczość i właściwości mechaniczne. Jednak bardzo drobne cząstki poniżej 10 μm mogą być trudne do równomiernego rozprowadzenia podczas nakładania warstw. Są one również bardziej podatne na aglomerację.
P: Czy proszek tytanowy jest niebezpieczny?
O: Proszek tytanowy może się zapalić i spowodować zagrożenie wybuchem w określonych warunkach. Drobne proszki tytanu, zwłaszcza proszki wodorkowe, są wysoce łatwopalne. Postępowanie z proszkiem tytanowym wymaga środowiska gazu obojętnego z użyciem argonu lub azotu. Pojemniki do przechowywania powinny być odpowiednio uziemione. Podczas pracy z proszkami tytanu pracownicy muszą podjąć środki ostrożności zapobiegające wdychaniu pyłu i kontaktowi ze skórą.
P: Jak produkowany jest proszek tytanowy?
O: Cztery główne metody produkcji to:
- Atomizacja gazowa: Strumień stopionego tytanu jest rozbijany na kropelki, które zestalają się w proszek.
- Atomizacja plazmowa: Niezwykle wysoka temperatura plazmy szybko topi i zestala tytan.
- Proces HDH: Złom tytanu jest przetwarzany z wykorzystaniem cykli absorpcji i desorpcji wodoru
- Elektroda obrotowa: Anodowe rozpuszczanie prętów tytanowych tworzy proszek w wyniku reakcji elektrolitycznych.
W wyniku każdego procesu powstaje proszek o różnych właściwościach, nadający się do różnych zastosowań.
P: Jaka jest cena proszku tytanowego?
Proszek tytanu może wahać się od $40 do $500 za kg w zależności od gatunku, jakości, wielkości zamówienia itp. Sferyczny proszek klasy 1 i 2 ma umiarkowaną cenę około $100/kg dla małych ilości. Stopy specjalne stosowane w przemyśle lotniczym mogą kosztować do $500/kg. Proszek wodorkowy i proszek wyższej klasy 4 to tańsze opcje zbliżone do $50/kg dla nabywców przemysłowych.
