титановый порошок для 3d-печати это прочный, легкий и устойчивый к коррозии металл, который идеально подходит для 3D-печати сложных и прочных деталей в аэрокосмической, медицинской, автомобильной и других промышленных отраслях. В этой статье представлен полный обзор порошковой металлургии титана для аддитивного производства.
Обзор титановый порошок для 3d-печати
Титан - один из самых популярных металлов, используемых в технологиях 3D-печати методом порошкового напыления и направленного энергетического осаждения. Среди ключевых преимуществ 3D-печатных титановых деталей можно выделить следующие:
- Высокое соотношение прочности и массы
- Выдерживает экстремальные температуры и коррозию
- Биосовместимость для медицинских имплантатов
- Сложные геометрические формы, невозможные при литье или механической обработке
- Уменьшение количества отходов по сравнению с субтрактивными методами
- Сокращение сроков изготовления и затрат по сравнению с традиционным производством титана
Однако титан реактивен при высоких температурах и требует инертной среды в камере при печати с использованием газов аргона или азота. Свойства 3D-печати титана зависят от различных факторов:
Ключевые факторы, влияющие на свойства титана при 3D-печати
| Параметр | Описание | Влияние на свойства |
|---|---|---|
| Марка титанового сплава | Уровни чистоты титана, алюминия, ванадия и т.д. | Прочность, твердость, пластичность, коррозионная стойкость |
| Распределение порошка по размерам | Диапазон от мелких до крупных частиц порошка | Плотность, обработка поверхности, точность |
| Толщина слоя | Более тонкие слои улучшают разрешение, но увеличивают время печати | Точность, допуски, шероховатость поверхности |
| Источник энергии | Лазер, электронный луч, плазменная дуга | Локализованное плавление, нагрев, скорость охлаждения влияют на микроструктуру |
| Ориентация печати | Вертикальные и горизонтальные структуры | Анизотропная прочность, могут потребоваться опоры |
| Горячее изостатическое прессование | Постобработка для устранения пор | Значительно повышает плотность, усталостную прочность |
При оптимальных параметрах 3D-печатные титановые детали соответствуют или превосходят свойства деформируемых изделий, позволяя создавать инновационные конструкции, невозможные при использовании субтрактивных методов.
Виды титановый порошок для 3d-печати для AM
Титановые сплавы выпускаются различных марок, предназначенных для различных процессов аддитивного производства. Наиболее распространенными титановыми порошками являются:
Распространенные марки титанового порошка для 3D-печати
| Сплав | Описание | Приложения |
|---|---|---|
| Ti-6Al-4V ELI | Сверхнизкая интерстициальная версия рабочего сплава Ti64 | Аэрокосмические компоненты, биомеханические имплантаты |
| Ti 6Al-4V | Самый популярный сорт, хорошая прочность и коррозионная стойкость | Автомобили, морское оборудование, спортивные товары |
| Ti-6Al-7Nb | Более высокая биосовместимость по сравнению с Ti64 | Ортопедические и стоматологические имплантаты, хирургические инструменты |
| CP-Ti Класс 2 | Коммерчески чистый титан, более мягкий, чем сплавы | Оборудование для пищевых/химических процессов |
| Ti-555 | Аэрокосмический класс с высокой прочностью | Конструктивные элементы самолетов, ракетные двигатели |
| Ти-1023 | Исключительная усталостная прочность и сопротивление ползучести | Лопасти турбин, шасси, крепеж |
Гранулометрический состав является ключевой характеристикой, определяющей конечную плотность и качество поверхности. Более мелкие порошки размером 10-45 мкм лучше текут и уплотняются, а более крупные порошки размером более 100 мкм облегчают удаление порошка и снижают затраты на материал.
Технические характеристики титанового порошка
| Параметр | Типовой диапазон |
|---|---|
| Размер частиц | 15-45 мкм, до 150 мкм |
| Расход | <15 с/50 г |
| Кажущаяся плотность | 2,1-3,0 г/см3 |
| Плотность отвода | 3,2-4,1 г/см3 |
| Чистота | >99,5% титан |
| Содержание кислорода | <0.20% |
| Содержание азота | <0,03% |
| Содержание водорода | <0,015% |
Производители постоянно совершенствуют методы производства титанового порошка и составы сплавов, чтобы удовлетворить растущий спрос на высокопроизводительные компоненты из титана, изготовленные методом аддитивного производства, в различных отраслях промышленности.
Как изготавливается титановый порошок
Порошок металлического титана имеет более высокое отношение площади поверхности к объему по сравнению с твердыми формами, такими как слитки или сырьевая проволока. Существует несколько современных технологий производства порошков:
- Плазменное распыление - Высокоскоростные струи инертного газа разбивают потоки расплавленного титана на мелкие капли, которые быстро застывают в сферические порошки с гладкой морфологией поверхности. Это позволяет получить частицы одинакового размера с небольшим количеством сателлитов.
- Газовая атомизация - Как и при плазменном распылении, при более низком давлении газа образуются менее мелкие порошки, пригодные для EBM-печати. В порошках наблюдаются брызги неправильной формы и сателлиты.
- Процесс с вращающимся электродом - Прутки или проволока из титанового сплава расплавляются дугой в инертной атмосфере, центробежные силы выбрасывают металл, который затем застывает в сплюснутые сферические частицы. Экономичное производство порошков, похожих на губку.
- Гидрид-дегидридный процесс - Мелкодисперсный порошок гидрида титана разлагается в вакууме, в результате чего он распадается на мелкодисперсный порошок металлического титана с более высокой примесью кислорода около 0,35-0,5%.
Все методы требуют тщательного просеивания и сепарации порошка для получения фракций определенного размера, подходящих для 3D-печати, обычно около 10-150 микрон. Гладкие сферические частицы обеспечивают лучшую плотность упаковки и текучесть. Перед использованием необходимо провести соответствующую рекондиционирование порошка, смешивание и хранение в инертной атмосфере.
Производители титанового порошка
Среди основных мировых поставщиков титановых порошков для печати можно назвать следующих:
| Компания | Расположение | Продукция |
|---|---|---|
| AP&C | Канада | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-7Nb, нестандартные сплавы |
| Столярная присадка | США | Ti-6Al-4V, Ti 6-4 ELI, нестандартные марки |
| GKN Additive | Швеция | Марки Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-4V, Ti-64 |
| Технология LPW | ВЕЛИКОБРИТАНИЯ | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, смешанные сплавы |
| Praxair | США | CP Ti сорт 2, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI |
| TLS Technik | Германия | Сплавы Ti-6Al-4V, Ti-Al-Fe |
Эти компании постоянно совершенствуют производственные процессы и стандарты качества, чтобы поставлять бездефектные титановые порошки, предназначенные для всех основных металлических 3D-печатных машин.
Стоимость титанового порошка
Как легкий конструкционный материал, металлические порошки титана примерно в 4-5 раз дороже алюминия и в 2-3 раза дороже обычных сталей по весу. Цены варьируются в зависимости от марки сплава, качества, размера партии - от нескольких килограммов до тонны.
| Сплав | Диапазон цен за кг |
|---|---|
| CP Ti Gr 2 | $50 – $150 |
| Ti-6Al-4V | $80 – $450 |
| Ti-6Al-4V ELI | $100 – $650 |
| Ti 6Al-7Nb | $250 – $1000 |
| Ti-555 | $150 – $850 |
| Ти-1023 | $500 – $2000 |
Отходы титанового порошка, полученные в результате 3D-печати, можно использовать повторно, чтобы компенсировать затраты на материал после проверки на загрязнение и подтверждения свойств. Общая стоимость детали зависит не только от затрат на сырье, но и от скорости сборки, трудозатрат, сложности конструкции и последующей обработки.
Области применения 3D-печатных титановых деталей
Благодаря своей долговечности, биосовместимости и свободе дизайна металлическая 3D-печать расширяет применение титана в различных отраслях промышленности:
Аэрокосмическая промышленность - Компоненты авиационных и ракетных двигателей, каркасы самолетов, вертолетов, беспилотников. Сокращение количества деталей до 90% по сравнению со сборными конструкциями.
Медицина и стоматология - Ортопедические имплантаты, протезы, фиксаторы и инструменты, для которых важна высокая прочность и биологическая совместимость. Позволяет создавать индивидуальные конструкции в соответствии с анатомией пациента.
Автомобили и автоспорт - Облегчение таких деталей, как шатуны, переключатели скоростей, гребные валы, при соблюдении требований безопасности. Позволяет повысить производительность за счет оптимизации топологии.
Промышленное оборудование - Твердые титановые крыльчатки, клапаны, трубы, теплообменники устойчивы к коррозии/эрозии. Конформные каналы охлаждения минимизируют износ инструмента при литье под давлением.
Потребительские товары - Индивидуальные спортивные снаряды, такие как велосипедные рамы, головки клюшек для гольфа, весла для байдарок, с интегрированными эргономичными титановыми решетками.
3D-печать позволяет создавать новые геометрические формы титана, недостижимые при литье, и поддерживать малосерийное производство, характерное для специализированных применений, с ускоренными сроками изготовления и экономией затрат на протяжении всего жизненного цикла.
Процессы 3D-печати на металле для титана
Существует несколько технологий аддитивного производства, подходящих для сплавления титанового порошка:
Процессы плавления в порошковом слое
| Процесс | Описание | Примеры аппаратного обеспечения |
|---|---|---|
| DMLS | Прямое лазерное спекание металла плавит порошок с помощью волоконного лазера | Серия EOS M |
| SLM | Селективное лазерное плавление полностью расплавляет порошок в плотные детали | Решения SLM |
| EBM | Электронный луч избирательно плавит порошок в вакууме | Arcam A2X |
Эти процессы с порошковым слоем подразумевают нанесение тонкого слоя титанового порошка, его выборочное расплавление с помощью сфокусированного источника тепла, опускание плиты и повторение процесса для создания деталей снизу вверх. Камера с инертным газом предотвращает окисление при высоких температурах. Пулы расплава быстро застывают, образуя мелкие равноосные зерна титана, что приводит к изотопным свойствам, схожим с деформируемыми изделиями.
SLM и DMLS обеспечивают более высокое разрешение и качество обработки поверхности, в то время как EBM обеспечивает более высокую скорость изготовления для более дешевых прототипов с низкой плотностью. Гибридные многолазерные системы снижают стоимость деталей и время их изготовления.
Направленное энергетическое осаждение
Процессы DED, такие как лазерное формование сетки (LENS), вдувают металлический порошок в расплавленный бассейн, созданный сфокусированным лазером или дугой, на пластину-подложку для нанесения шариков друг на друга. DED идеально подходит для крупных деталей почти сетчатой формы, которые подвергаются окончательной механической обработке. Титановые сплавы с более высокой прочностью, пластичностью, вязкостью разрушения и сопротивлением ползучести могут быть изготовлены с помощью оптимизированных параметров LENS.
Струйная обработка вяжущего
С помощью технологии струйной печатающей головки связующее вещество выборочно наносится на слой титанового порошка для послойного формирования зеленых компактных деталей. Спекание при высоких температурах позволяет достичь плотности ~95%, избегая остаточных напряжений во время печати. Струйная обработка связующим веществом больше подходит для небольших титановых деталей с умеренными структурными нагрузками и свойствами ниже деформируемых материалов.
Постобработка титановый порошок для 3d-печати Части
После изготовления титановые компоненты могут пройти несколько этапов последующей обработки:
- Удаление несущих конструкций с помощью проволочной резки EDM
- Термообработка для снятия напряжения
- Горячее изостатическое прессование (HIP)
- Раствор для обработки и старения
- Дробеструйное упрочнение для создания сжимающих напряжений
- Обработка - точение, сверление, фрезерование для соблюдения требований к допускам на критических сопрягаемых поверхностях
- Обработка поверхности - шлифование, пескоструйная обработка, полировка, травление для придания гладкости поверхности
- Очистка и стерилизация медицинских деталей
При обработке HIP используется газ аргон под высоким давлением в вакууме при повышенной температуре. Это помогает устранить внутренние пустоты и микропористость, тем самым повышая усталостную прочность в 5-10 раз для критически важных аэрокосмических компонентов. Однако HIP изменяет микроструктуру отпечатанного материала.
Общая стоимость деталей возрастает из-за длительных ручных операций постобработки для критически важных приложений. Интегрированные автоматизированные станции постобработки появляются рядом с металлическими принтерами, а усилия по стандартизации качества во всей цепочке создания стоимости AM обещают более высокую последовательность и повторяемость конечных титановых компонентов.
Свойства 3D-печатных титановых сплавов
Механические свойства широко используемых титановых сплавов зависят от различных факторов, таких как качество порошка, толщина слоя, параметры лазера, ориентация сборки, термообработка и HIP.
Свойства Ti-6Al-4V ELI
| Параметр | В распечатанном виде | После HIP | Кованый Ti-6Al-4V ELI |
|---|---|---|---|
| Прочность на разрыв | 1050 - 1250 МПа | ~980 МПа | 860 - 965 МПа |
| Предел текучести (смещение 0,2%) | 1000 - 1150 МПа | ~930 МПа | 795 - 880 МПа |
| Удлинение при разрыве | 8 – 15% | 10 – 18% | 10 – 16% |
| Модуль упругости | 100 - 114 ГПа | 110 - 115 ГПа | 110 - 114 ГПа |
| Усталостная прочность (10^7 циклов) | 400 - 600 МПа | 500 - 800 МПа | 550 - 750 МПа |
| Твердость | 34 - 44 HRC | 32 - 40 HRC | 33 - 37 HRC |
Ti-6Al-4V ELI демонстрирует прочность на разрыв и твердость, сравнимые или более высокие, чем у традиционных деформируемых изделий, а пластичность и высокоцикловая усталость приближаются к свойствам кованых материалов после HIP.
Свойства Ti-6Al-7Nb
| Параметр | Типичные печатные значения | Кованые |
|---|---|---|
| Прочность на разрыв | 900 - 1300 МПа | 860 - 1100 МПа |
| Предел текучести (смещение 0,2%) | 800 - 1250 МПа | 795 - 965 МПа |
| Удлинение при разрыве | 5 – 15 % | 8 – 20% |
| Модуль упругости | 95 - 115 ГПа | 100 - 115 ГПа |
| Твердость | ~334 HV | ~302 HV |
Добавка ниобия повышает биосовместимость по сравнению с ванадием и обеспечивает прочность, превышающую традиционные имплантаты из Ti-6Al-4V. Оптимизированные параметры SLM позволяют получить плотные структуры Ti-6Al-7Nb медицинского класса, превосходящие по своим свойствам деформируемые.
Рекомендации по проектированию и ограничения
Чтобы в полной мере использовать преимущества порошкового наплавления, инженеры должны разрабатывать детали специально для аддитивного производства:
Оптимальные методы проектирования
- Минимизация ненужной массы для снижения веса с помощью решетчатых конструкций
- Консолидация узлов в отдельные компоненты
- Воплощение органических форм, контуров, недоступных при обработке
- Встраивание сходящихся каналов охлаждения, что невозможно при использовании отливок
- Усиление участков с высокими нагрузками с помощью гироидного наполнителя или текстуры
- Стандартизация интерфейсов, фитингов и приспособлений для модульных сборок
- Параметризация семейств деталей с сохранением общих критических характеристик
Пределы проектирования
- Для углов свеса более 60 градусов требуются опоры
- При соотношении сторон более 5:1 существует риск обрушения или деформации
- Минимальная толщина стенок ~0,8 мм, мелкие детали > 0,4 мм
- Плотные карманы могут задерживать не спекшийся порошок, требующий отверстий для эвакуации.
- Избегайте полых полостей, изолированных от доступа для удаления порошка
- Для снятия остаточных напряжений необходимы большие галтели
- Пост-обработка необходима для сопряжений, уплотнений, подшипников
Предварительное обучение инженеров по DfAM в сочетании с опытными конструкторами AM может предотвратить повторные работы из-за отсутствия готовых к производству конструкций, необходимых для конечных металлических печатных деталей.
Сравнительный анализ
3D-печать против литого или обработанного титана
Профессионалы аддитивного производства
- Свобода проектирования для легких конструкций
- Сокращение количества деталей за счет консолидации
- Нестандартные формы, соответствующие требованиям месторождения
- Отказ от использования инструментов, необходимых для изготовления литейных форм или ЧПУ
- Более безопасный, устойчивый процесс с меньшим количеством отходов
- Сокращение сроков изготовления партий небольшого объема
Cons
- Более низкая скорость сборки по сравнению с массовым производством
- Ограничения по размеру, накладываемые небольшими камерами для сборки
- Более высокая стоимость одной детали при средних количествах
- Масштабная очистка опор, вызывающая дефекты поверхности
- Постобработка снижает свойства отпечатанного материала
- Анизотропия приводит к появлению направленных слабостей
- Стандарты и квалификация еще только формируются
3D-печатный титан в сравнении с другими металлами
| Параметр | Титан | Алюминий | Нержавеющая сталь | Никелевые сплавы |
|---|---|---|---|---|
| Прочность | Высокая | Средний | Средний | Очень высокий |
| Жесткость | Средний | Средний | Высокая | Высокая |
| Плотность | Легкий | Очень легкий | Тяжелее | Тяжелее |
| Стоимость | Высокая | Низкий | Средний | Высокая |
| Срок службы при температуре | Отличный | Ярмарка | Лучше | Лучшее |
| Коррозионная стойкость | Отличный | Ярмарка/Покрытия | Лучшее | Лучше |
| Биологическая совместимость | Отличный | Хороший | Ярмарка | Бедный |
| Магнитные свойства | Нет | Нет | Слегка магнитный | Магнит |
Титан выделяется там, где высокотемпературные механические характеристики сочетаются с гибкостью конструкции, низкой массой и устойчивостью к экстремальным условиям. Расширенные возможности AM помогают преодолеть традиционные проблемы производства, связанные с высокими коэффициентами закупок и длительными сроками изготовления, которые ограничивали применение титана ранее, несмотря на его выдающиеся свойства.
Перспективы развития промышленности и будущее титана AM
Аддитивное производство - один из самых быстрорастущих сегментов производства: принтеры становятся все больше и быстрее, в них используется несколько лазеров и роботизированные руки. Титановые детали проходят квалификацию для серийного производства в авиации, космосе, энергетике, автоспорте и медицине.
Некоторые тенденции, влияющие на внедрение технологии порошковой плавки титана:
- Снижение стоимости системы повышает ее доступность
- Автоматизированная постобработка, обеспечивающая воспроизводимость
- Методы аддитивного производства большой площади (BAAM) для крупных титановых конструкций
- Новые специализированные сплавы с превосходной прочностью при ползучести и усталости
- Моделирование и искусственный интеллект для прогнозирования дефектов, оптимизации процессов, обеспечения качества
- Гибридная печать, сочетающая аддитивную и субтрактивную технологии, контроль, автоматизацию
- Зрелость цепочки поставок, обеспечивающая прослеживаемость материалов и соблюдение технологических стандартов
По мере того как титановые AM-детали получают сертификаты безопасности полетов и медицинских сертификатов, 3D-печать способна преобразовать такие тяжелые отрасли, как аэрокосмическая, с помощью моделей распределенного производства. Компании сотрудничают по всей цепочке создания стоимости, внедряя инновационные разработки в критически важные приложения быстрее и с меньшими затратами, чем это было возможно ранее.
