Обзор
Порошок Ti6Al4VТакже известный как Ti-6Al-4V, Grade 5 titanium, Ti 6-4 или Ti 6/4, представляет собой порошок титанового сплава, состоящего из титана, 6% алюминия и 4% ванадия. Он обладает исключительным сочетанием высокой прочности, малого веса, коррозионной стойкости и биосовместимости, что делает его чрезвычайно универсальным материалом для передовых применений в аэрокосмической промышленности, медицинском оборудовании, морской технике и многом другом.
Ti6Al4V считается рабочей лошадкой среди титановых сплавов, составляя более 50% от общего объема использования титана во всем мире. Он имеет одно из лучших соотношений прочности и веса среди всех металлических материалов и сохраняет свои свойства при экстремальных температурах.
Некоторые ключевые свойства и характеристики порошка Ti6Al4V включают в себя:
- Отличное соотношение прочности и веса, высокая удельная прочность
- Низкая плотность - 4,43 г/см3
- Высокая коррозионная стойкость
- Биосовместимость и способность к остеоинтеграции
- Хорошие высокотемпературные свойства - пригодность к использованию до 400°C, устойчивость к окислению до 550°C.
- Высокая вязкость разрушения и усталостная прочность
- Доступны различные размеры и морфологии - сферические, угловые
Благодаря своим универсальным свойствам Ti6Al4V находит сегодня разнообразное применение в различных отраслях промышленности.
Типы порошков Ti6Al4V
Порошок сплава Ti6Al4V выпускается в различных вариантах распределения по размерам, формам и методам производства для решения конкретных задач:
| Тип | Характеристики |
|---|---|
| Сферический распыляемый газ | - Почти сферическая морфология, гладкая поверхность - Тщательный контроль размера частиц - Используется в AM, MIM, термическом напылении |
| Плазменное распыление сферической формы | - Высокая сферичность с гладкой поверхностью - Узкое распределение по размерам - Используется в процессах AM |
| Гидрид-дегидрид (HDH) | - Неправильная, угловатая морфология - Пористые, губчатые частицы - Низкая себестоимость - Используется в MIM, прессовании, термораспылении |
Размер частиц: В зависимости от метода производства выпускается от 15 микрон до 150+ микрон.
Распределение по размерам: Градуированные/просеянные, смешанные или по индивидуальному заказу
Стандарты: ASTM B348, AMS 4943, AMS 4928, AMS 4967
Состав порошка Ti6Al4V
Ti6Al4V соответствует спецификации аэрокосмических материалов (AMS) 4928 и имеет номинальный состав:
| Элемент | Композиционный ряд |
|---|---|
| Титан | Баланс, 87.725 - 91% |
| Алюминий | 5.5 – 6.76% |
| Ванадий | 3.5 – 4.5% |
| Железо | Макс 0.30% |
| Кислород | Макс 0.20% |
| Азот | Макс 0,05% |
| Углерод | Макс 0,08% |
| Водород | Макс 0,015% |
Железо, кислород и азот - часто встречающиеся примеси. Перед распылением в порошок состав подвергается регулярному анализу на предмет соответствия спецификациям аэрокосмического класса.
Свойства порошка Ti6Al4V
Ti6Al4V ценится за исключительный баланс механических свойств, коррозионную стойкость, легкость и биосовместимость. Его свойства включают:
| Физические и механические свойства | Значения |
|---|---|
| Плотность | 4,43 г/см3 |
| Температура плавления | 1604 - 1660°C |
| Предельная прочность на разрыв | 860 - 965 МПа |
| Предел текучести (смещение 0,2%) | 795 - 875 МПа |
| Модуль упругости | 114 ГПа |
| Удлинение при разрыве | 10 – 18% |
| Твердость | 334 - 361 HV |
| Усталостная прочность (107 циклов) | 400 - 490 МПа |
| Вязкость разрушения | 55 - 115 МПа-м^0,5 |
Тепловые свойства
Коэффициент теплового расширения - 8,6 x 10-6 /K (20-100°C)
Теплопроводность - 7,2 Вт/м.К
Максимальная температура эксплуатации - 400°C
Коррозионная стойкость
Отличная коррозионная стойкость, сравнимая с нелегированным титаном Противостоит коррозии под воздействием большинства кислот, влажных газов, органических химикатов
Образование стабильного и высокоадгезивного оксидного поверхностного слоя обеспечивает превосходную устойчивость к солевым средам. Ti6Al4V демонстрирует защиту, превосходящую нержавеющую сталь, в хлоридных растворах благодаря более низкой скорости диффузии кислорода и хлоридов.
Применение порошка Ti6Al4V
Благодаря своим сбалансированным свойствам Ti6Al4V находит сегодня разнообразное применение в промышленности и медицине:
| Промышленность | Приложения |
|---|---|
| Аэрокосмическая промышленность | - Конструктивные элементы самолетов, такие как крылья, шасси, турбины, крепежные детали - Корпуса ракетных двигателей, космические аппараты - Втулки роторов вертолетов, лопасти компрессоров |
| Медицина и стоматология | - Ортопедические имплантаты - тазобедренные, коленные суставы - Зубные имплантаты, крепления, коронки - Челюстно-лицевые имплантаты - Хирургические инструменты |
| Автомобильная промышленность | - Шатуны, карданные валы, пружины - Детали гоночных автомобилей, такие как клапаны, поршни - Детали выхлопной системы |
| Химическая | - Теплообменники, резервуары, трубы для транспортировки агрессивных сред - Клапаны, конденсаторы, дистилляционные колонны - Насосы и корпуса |
| Энергетика и энергия | - Компоненты паровых и газовых турбин - Конструктивные детали для реакторов - Возобновляемые источники энергии - высокопроизводительные морские установки |
| Морской | - Пропеллеры, шатуны - Коррозионностойкие крепежные элементы, шарниры - Оборудование для опреснения воды |
Аддитивное производство расширяет сферу применения титановых сплавов во всех этих отраслях, позволяя создавать геометрии свободной формы, которые ранее были невозможны.
Технические характеристики порошка Ti6Al4V
| Стандарт | Описание |
|---|---|
| ASTM B348 | Стандартная спецификация на прутки и заготовки из титана и титановых сплавов |
| AMS 4928 | Спецификация аэрокосмических материалов для листов, полос и плит из титанового сплава 6Al - 4V отожженных |
| AMS 4943 | Пределы химического контрольного анализа для титана и титановых сплавов |
| AMS 4967 | Спецификация аэрокосмического материала для порошка, титановый сплав 6Al-4V |
| ISO 21388 | Спецификация нелегированного титана для хирургических имплантатов |
| ASME SB-348 | Технические условия на прутки и заготовки из титана и титановых сплавов |
Порошок титана марки 5 Eli также должен отвечать дополнительным требованиям заказчика, касающимся:
- Форма частиц
- Текучесть
- Кажущаяся плотность
- Плотность отвода
- Плотность пикнометра
- Химический анализ
- Механические свойства
Производители, выпускающие порошок Ti6Al4V, соблюдают сертифицированные системы управления качеством и протоколы испытаний, прежде чем поставлять его заказчикам в оборонной, аэрокосмической, энергетической, автоспортивной и медицинской отраслях, а также в других.
Поставщики порошка Ti6Al4V
Порошок Ti6Al4V изготавливается методом газового или плазменного распыления для получения сферического порошка, пригодного для АМ. Исходным сырьем является сплав, переплавленный вакуумной дугой (VAR) или электронно-лучевой плавкой (EBM), который распыляется на мелкие капли, застывающие в частицы порошка при быстром охлаждении.
Основными мировыми поставщиками сферических и предварительно легированных порошков Ti6Al4V являются:
| Компания | Страна |
|---|---|
| AP&C | Канада |
| ATI Powder Metals | США |
| TLS Technik GmbH | Германия |
| GKN Hoeganaes | США |
| Tekna Advanced Materials | США |
| Slm Solutions | Германия |
| Erasteel | Франция |
Порошок Ti6Al4V может быть приобретен в небольших количествах для исследований и создания прототипов. Для компаний, заключивших соглашения о поставках, возможны нестандартные сплавы и характеристики частиц.
Ценообразование:
Как высокоэффективный сплав, требующий передовых технологий производства, порошок Ti6Al4V стоит дороже стандартных сортов титана и порошков других металлов. Цены варьируются от $100/кг до $500/кг в зависимости от:
- Количество заказов
- Форма и распределение частиц по размерам
- Индивидуальная настройка химических/механических свойств
- Требования к испытаниям и сертификации
- Экономические факторы - динамика спроса и предложения, стоимость сырья
Более чистые сорта, используемые в медицинских приборах и аэрокосмической промышленности, стоят дороже. По мере наращивания производственных мощностей по всему миру наблюдается тенденция к снижению затрат.
Как выбрать порошок Ti6Al4V
Выбор подходящего порошка Ti6Al4V зависит от конкретной области применения и технологических требований. Некоторые ключевые соображения включают:
Аддитивное производство
- Форма частиц - сферические/фигурные распределения для лучшей текучести и упаковки
- Размер частиц - мелкие <45 микрон для лучшего разрешения и обработки поверхности
- Узкий диапазон размеров - обеспечивает равномерное плавление и уплотнение
- Высокая чистота порошка >99,5% титана для снижения загрязнения
- Низкое содержание кислорода, азота и углерода
Литье металлов под давлением (MIM)
- Порошок с неровной, угловатой поверхностью для повышения прочности зеленого цвета
- Средний размер частиц - 100 меш
- Порошковая смесь со связующими компонентами
- Экономическое содержание соответствует целевым показателям себестоимости
Термическое напыление
- Размер частиц подходит для процесса распыления
- Пористый гидридный порошок HDH обеспечивает лучшее сцепление покрытий
- Возможна разработка сплавов на заказ
Порошковая металлургия
- Угловатый, пористый порошок для уплотнения
- Порошковая смесь, адаптированная к условиям применения
- Сплав, модифицированный для обеспечения реакции спекания
Проконсультируйтесь с производителями порошков на ранних этапах проектирования, чтобы выбрать оптимальный порошок, подходящий для конкретных требований к компонентам.
Преимущества и недостатки порошка Ti6Al4V
Преимущества
- Высокое соотношение прочности и веса
- Сохраняет свойства при повышенных температурах
- Отличная коррозионная стойкость
- Биоинертный - не вызывает побочных реакций при имплантации
- Порошковое сырье позволяет изготавливать детали сложной формы методом AM
- Регулируемые механические свойства путем термообработки
- Возможность вторичной переработки для минимизации потерь
Ограничения
- Высокая стоимость материала по сравнению со сталями и алюминиевыми сплавами
- Требует высоких температур обработки Риск загрязнения кислородом
- Более низкая жесткость по сравнению со сталью
- Чувствительность к острым надрезам - риск растрескивания
- Сложная обработка, требующая специального инструмента.
Инженеры выбирают Ti6Al4V в тех случаях, когда прочность, термостойкость, биосовместимость и коррозионная стойкость критически важных конструкционных деталей перевешивают ограничения по стоимости.
Порошок Ti6Al4V в сравнении с альтернативами
Ti6Al4V конкурирует с нержавеющими сталями, кобальто-хромовыми сплавами, алюминиевыми сплавами и чистым титаном. Сравнение по ключевым параметрам приведено ниже:
| Ti6Al4V | Нержавеющая сталь 316L | Сплав CoCrMo | Al 6061 | Чистый титан 2 класса | |
|---|---|---|---|---|---|
| Предел текучести | 860 МПа | 290 МПа | 655 МПа | 55 МПа | 370 МПа |
| Плотность | 4,43 г/куб. см | 8 г/куб. см | 8,3 г/куб. см | 2,7 г/куб. см | 4,51 г/куб. см |
| Модуль Юнга | 114 ГПа | 193 ГПа | 230 ГПа | 69 ГПа | 105 ГПа |
| Теплопроводность | 7 Вт/мК | 12 Вт/мК | 9 Вт/мК | 180 Вт/мК | 7 Вт/мК |
| Температура плавления | 1640°C | 1375°C | 1350°C | 650°C | 1668°С |
| Коррозионная стойкость | Отличный | Хороший | Ярмарка | Хороший | Отличный |
| Сравнение стоимости | 10x против алюминия, 4x против стали | Более низкая стоимость | 2x стоимость по сравнению со сталью | Самая низкая стоимость | В 8 раз дороже, чем Ti класса 2 |
