Przegląd proszków molibdenowo-tytanowych
proszki molibdenowo-tytanowe odnoszą się do drobnych cząstek metalicznych każdego pierwiastka wytwarzanych w procesach atomizacji. Charakteryzują się one wysoką wytrzymałością, twardością i odpornością na ciepło.
Proszki są stosowane pojedynczo lub jako mieszanki do produkcji wysokowydajnych stopów. Ich kontrolowany rozkład wielkości cząstek umożliwia tworzenie złożonych elementów o kształcie zbliżonym do siatki z warstw podczas drukowania 3D z metalu.
Niektóre kluczowe właściwości proszków molibdenu i tytanu:
Molibden w proszku
- Doskonała odporność na pełzanie i stabilność w wysokich temperaturach
- Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej
- Wysoka twardość i odporność na zużycie
- Stosowany jako dodatek stopowy do wzmacniania stali i nadstopów
Proszek tytanowy
- Niezwykle wytrzymały, a jednocześnie lekki metal konstrukcyjny
- Doskonała odporność na korozję
- Biokompatybilność dla implantów medycznych
- Reaktywny i wymaga kontrolowanego przetwarzania
Proszki mieszane/stopowe
- Połączenie korzystnych właściwości każdego elementu
- Umożliwia dostosowanie wydajności materiału
- Wymaga zoptymalizowanych parametrów druku 3D
Manipulując składem za pomocą AM, można tworzyć innowacyjne stopy o doskonałych właściwościach dostosowanych do ekstremalnych warunków.
Rodzaje proszków molibdenu i tytanu
Proszki molibdenu i tytanu są dostępne na rynku w różnych rodzajach do produkcji dodatków metalowych:
| Wariant proszkowy | Charakterystyka | Typowe zastosowania |
|---|---|---|
| Molibden | Gatunki czyste i stopowe | AM stopów molowych, katalizatorów |
| Tytan Ti-6Al-4V | Stop lotniczy | Nośne konstrukcje lotnicze |
| Tytan Ti-6Al-7Nb | Biokompatybilny stop alfa-beta | Implanty medyczne, protetyka |
| Mieszanki pierwiastków Mo-Ti | Niestandardowe kompozycje stopów | Zaawansowane aplikacje inżynieryjne |
| Stopy wzorcowe Mo-Ti | Wstępnie stopione mieszanki | Uproszczone przetwarzanie AM |
W swojej podstawowej formie molibden zapewnia twardość w wysokich temperaturach, podczas gdy tytan zapewnia wytrzymałość i odporność na korozję. Łącząc oba te pierwiastki za pomocą technologii AM, można tworzyć innowacyjne stopy o zwiększonej ogólnej wydajności.
Skład/stopy
Proszki molibdenu i tytanu mają następujący skład nominalny:
Molibden w proszku
| Element | Zakres składu |
|---|---|
| Molibden (Mo) | 99% i nowsze |
| Tlen (O) | 0.01% max |
| Węgiel (C) | 0.01% max |
| Żelazo (Fe) | 0.01% max |
| Inne metale | 0.01% max |
Wysoka czystość jest wymagana w celu zapewnienia powtarzalności podczas AM i dalszego przetwarzania. Zanieczyszczenia mogą niekorzystnie wpływać na właściwości materiału.
Tytan Ti-6Al-4V
| Element | Waga % |
|---|---|
| Tytan (Ti) | Równowaga |
| Aluminium (Al) | 5.5-6.75 |
| Wanad (V) | 3.5-4.5 |
| Żelazo (Fe) | < 0.3 |
| Tlen (O) | <0.2 |
| Inne metale | <0.1 |
Niewielkie ilości dodatków stopowych aluminium i wanadu znacznie zwiększają wytrzymałość tytanu w lekkich konstrukcjach nośnych.
W przypadku mieszanych proszków Mo-Ti, względne proporcje mogą być zmieniane od 100% Mo do 100% Ti w celu stworzenia niestandardowych stopów. Wykorzystując zarówno pierwiastkowe, jak i wstępnie stopowe proszki mieszane, nieograniczona swoboda kompozycji pozwala na opracowanie dotychczas niezbadanych stopów za pomocą AM.
Właściwości proszki molibdenowo-tytanowe
Molibden w proszku
| Właściwości fizyczne | |
|---|---|
| Gęstość | 10,22 g/cm3 |
| Temperatura topnienia | 2610°C |
| Przewodność cieplna | 138 W/mK |
| Rezystywność elektryczna | 5,5 μΩ-cm |
| Współczynnik rozszerzalności cieplnej | 5,3 μm/m-°C |
| Właściwości mechaniczne | |
|---|---|
| Twardość | ~300 HV |
| Ostateczna wytrzymałość na rozciąganie | 600-800 MPa |
| Granica plastyczności (przesunięcie 0,2%) | 500+ MPa |
| Wydłużenie | 30-50% |
| Moduł sprężystości | 325 GPa |
Proszek molibdenu umożliwia wytwarzanie niezwykle twardych i odpornych na ciepło stopów przy użyciu technik AM. Części zachowują wysoką wytrzymałość w warunkach utleniania, korozji i zużycia ciernego w podwyższonych temperaturach przekraczających 1000°C.
Tytan Ti-6Al-4V w proszku
| Właściwości fizyczne | Wartości |
|---|---|
| Gęstość | 4,43 g/cm3 |
| Temperatura topnienia | 1604-1660°C |
| Przewodność cieplna | 7,2 W/mK |
| Rezystywność elektryczna | 170 μΩ-cm |
| Współczynnik rozszerzalności cieplnej | 8,6 μm/m-°C |
| Właściwości mechaniczne | Jak zbudowany | Wyżarzony |
|---|---|---|
| Wytrzymałość na rozciąganie | 1050 MPa | 950 MPa |
| Granica plastyczności (przesunięcie 0,2%) | 900 MPa | 850 MPa |
| Wydłużenie | ~15% | ~20% |
| Twardość | ~350 HV | ~300 HV |
Doskonała równowaga między wysoką wytrzymałością a przyzwoitą ciągliwością sprawia, że jest to niezwykle popularny stop lotniczy do krytycznych części drukowanych w silnikach rakietowych, płatowcach i turbinach.
Mieszając proszki molibdenu i tytanu w różnych proporcjach, można uzyskać kombinację ich właściwości w stopach dostosowanych do indywidualnych potrzeb.
Zastosowania
Proszki molibdenu i tytanu umożliwiają tworzenie wysokowydajnych metalowych części AM dostosowanych do ekstremalnych warunków:
Ropa i gaz
- Pompy i zawory do szczelinowania narażone na działanie płynów ściernych pod wysokim ciśnieniem i w wysokich temperaturach
- Odporne na korozję przewody rurowe do kwasów, gazów i solanek z szybów naftowych
Lotnictwo i kosmonautyka
- Łopatki i łopatki turbin lotniczych pracujące w temperaturze >1000°C w celu zwiększenia wydajności paliwowej
- Lekki płatowiec i wsporniki silnika o zwiększonej wytrzymałości właściwej
Motoryzacja
- Zmniejszenie masy korbowodów, wałów napędowych i elementów podwozia
- Narzędzia do zgrzewania tarciowego z przemieszaniem dla gotowych paneli nadwozia
Medyczny
- Implanty ortopedyczne o module sprężystości zbliżonym do kości
- Odporne na korozję urządzenia bio-interaktywne
Przemysłowy
- Lekkie ramiona robotów o lepszym stosunku wytrzymałości do masy
- Stabilny wymiarowo sprzęt do wytwarzania energii
Przezwyciężając ograniczenia konwencjonalnego przetwarzania, AM z molibdenu i tytanu umożliwia tworzenie wysokowydajnych struktur nowej generacji. Części wykazują znaczny wzrost wydajności w warunkach obciążeń termicznych, mechanicznych i chemicznych.
Specyfikacje proszków molibdenowo-tytanowych
Proszki molibdenowe i tytanowe muszą spełniać dokładne wymagania chemiczne i rygorystyczne specyfikacje jakościowe do stosowania w produkcji dodatków zgodnie z przyjętymi w branży standardami:
Standardy czystości chemicznej
| Klasa proszku | Standard |
|---|---|
| Molibden | ASTM B393 |
| Tytan Ti-6Al-4V | ASTM F2924 |
| Tytan Ti-6Al-7Nb | ASTM F3001 |
Typowa charakterystyka proszku
| Atrybut | Wymagania | Metody testowe |
|---|---|---|
| Kształt cząsteczki | Głównie kulisty | Obrazowanie SEM zgodnie z ASTM B822 |
| Gęstość pozorna | 2 do 5 g/cc | MPIF 04 lub ASTM B212 |
| Natężenie przepływu | >30 s dla testu przepływu Halla | ASTM B213 |
| Rozkład wielkości cząstek | D10, D50, D90 zoptymalizowane pod kątem procesu AM | ASTM B822 |
| Strata przy zapłonie (LOI) | Niski poziom tlenu/azotu | Analiza syntezy gazów obojętnych |
| Mikrostruktura | Bez wad, bez satelitów | SEM przy dużych powiększeniach |
Wymagania te mają na celu zapewnienie równomiernego topienia, braku defektów i powtarzalnych właściwości części końcowych.
Globalni dostawcy
Wielu uznanych producentów dostarcza proszki molibdenu i tytanu do zastosowań AM:
Molibden w proszku
| Firma | Nazwy marek | Metoda produkcji |
|---|---|---|
| H.C. Starck | Mo | Elektrolityczny |
| Molymet | PureMo | Redukcja wodoru |
| Plansee | MolyPowder | Redukcja wapnia |
| Midwest Tungsten | TeroMoly | Redukcja wapnia |
Proszek tytanowy
| Firma | Oferowane klasy | Metody produkcji |
|---|---|---|
| AP&C | Ti-6Al-4V, inne stopy Ti | Atomizacja plazmowa |
| Carpenter Additive | Ti-6Al-4V | Atomizacja plazmowa |
| Sandvik | Ti6Al4V ELI, Ti6Al4V ELI-0406 | Atomizacja plazmowa |
| Tekna | Ti-6Al-4V, Ti 6Al-7Nb | Atomizacja plazmowa |
| TLS Technik | Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI, Ti Grade 23 | Gaz, atomizacja plazmowa |
Zarówno uznani producenci proszków metali, jak i wyspecjalizowani producenci proszków AM dostarczają te materiały zgodnie z wymagającymi specyfikacjami branżowymi.
Wycena proszki molibdenowo-tytanowe
Jako powszechnie stosowane materiały w metalowym AM, dostępne są opublikowane wskaźniki cen proszków molibdenu i tytanu:
Molibden w proszku
| Wielkość cząstek | Zakres cen |
|---|---|
| 10-45 μm | $40 - $60 na kg |
| 15-53 μm | $50 - $70 na kg |
| Rozmiary niestandardowe | > $100 na kg |
Tytan Ti-6Al-4V w proszku
| Wielkość cząstek | Zakres cen |
|---|---|
| 15-45 μm | $150 - $450 za kg |
| 45-100 μm | $100 - $350 za kg |
| Rozmiary niestandardowe | > $500 za kg |
Ceny zależą od klasy jakości, wielkości partii, zakresu dystrybucji, atomizacji plazmowej lub gazowej oraz wielkości zakupu. Duże ilości i ceny kontraktowe są zazwyczaj negocjowane bezpośrednio z dostawcami.
Plusy i minusy stopów molibdenu i tytanu z AM
Plusy
- Wyjątkowa wydajność w wysokich temperaturach
- Zwiększona wytrzymałość i sztywność
- Odporność na obciążenia termiczne i zmęczeniowe
- Złożone kanały chłodzące łączą w sobie wytrzymałość i odprowadzanie ciepła
- Skonsolidowane zespoły zmniejszają liczbę komponentów
- Krótszy czas rozwoju w porównaniu do odlewów
- Niestandardowe stopy o składzie dostosowanym do potrzeb
- Materiały reaktywne przetwarzane bez zanieczyszczeń
Wady
- Wyższy koszt niż w przypadku standardowych stopów
- Wymagająca drukowność dyktuje rygorystyczną optymalizację parametrów
- W celu uzyskania ostatecznych właściwości może być wymagana obróbka końcowa
- Anizotropia wynikająca z budowy warstwowej
- Brak standardów projektowych i materiałowych
- Proszki reaktywne wymagają kontrolowanego przechowywania i obsługi
Dzięki ciągłym badaniom i kwalifikacjom, metal AM umożliwia molibdenowi i tytanowi wykorzystanie ich potencjału w projektowaniu lżejszych i mocniejszych struktur o wysokiej wydajności.
Jak powstają proszki molibdenu i tytanu?
Zaawansowane procesy atomizacji gazowej wytwarzają drobne proszki metaliczne z precyzyjną kontrolą krytycznych właściwości, takich jak kształt cząstek, zakres rozmiarów i czystość chemiczna.
Atomizacja gazu
Wlewki o wysokiej czystości są topione indukcyjnie w atmosferze obojętnej, a strumień ciekłego metalu wlewany jest do specjalistycznych zbiorników atomizacyjnych. Silne strumienie argonu lub azotu rozpylają metal na drobne kropelki, które szybko zestalają się w proszek.
Optymalizując parametry przepływu gazu i szybkości chłodzenia, uzyskuje się kuliste cząstki o pożądanym rozkładzie wielkości cząstek. Proszek jest następnie przesiewany do różnych klasyfikacji wielkości wymaganych dla różnych procesów AM.
Dodatkowe przetwarzanie
Dalsze kroki mogą być podjęte w celu poprawy właściwości proszku - odgazowanie w celu obniżenia poziomu tlenu, wyżarzanie w celu zmniejszenia naprężeń wewnętrznych wynikających z szybkiego krzepnięcia oraz mieszanie z innymi frakcjami proszku w celu uzyskania określonych zakresów wielkości.
Proszki są ostatecznie pakowane w atmosferze obojętnej, aby zapobiec utlenianiu przed wysyłką do klientów. Protokoły obsługi i przechowywania zapobiegają absorpcji wilgoci lub zanieczyszczeniu podczas dalszego przetwarzania metalu AM.
Binder Jetting a fuzja molibdenu i tytanu w złożu proszkowym
Stopy molibdenu i tytanu mogą być drukowane zarówno przy użyciu technologii binder jetting, jak i fuzji w złożu proszkowym:
| Aspekt | Binder Jetting | Powder Bed Fusion |
|---|---|---|
| Metoda budowania | Płynne środki wiążące | Topienie laserowe/wiązką elektryczną |
| Rozdzielczość | ~100 μm | ~50 μm |
| Porowatość | Wyższy, wymaga infiltracji | Niższa gęstość 99%+ |
| Wykończenie powierzchni | Szorstki, wymaga obróbki | Umiarkowany, może wymagać wykończenia |
| Właściwości mechaniczne | Niski, zmienia się w zależności od części | Wyższy, bardziej jednolity |
| Dokładność wymiarowa | ±0,3% ze skurczem | ±0,1% lub lepszy |
| Przetwarzanie końcowe | Rozdrabnianie, spiekanie, HIP | Usuwanie podpór, obróbka cieplna |
| Rozmiar kompilacji | Skala przemysłowa | Mniejsze komory |
| Wymagania czasowe | Dni | Godziny do 1-2 dni |
| Ekonomia | Niższy koszt części, większa objętość | Niższy wolumen, drogi sprzęt |
Wtryskiwanie spoiwa jest odpowiednie dla modeli koncepcyjnych ze względu na szybkość i niski koszt. Fuzja w łożu proszkowym tworzy wysokiej jakości części końcowe o doskonałych właściwościach.
Stopy molibdenu i tytanu - perspektywy
Molibden i tytan są pożądane osobno ze względu na ich zdolność do pracy w wysokich temperaturach i stosunek wytrzymałości do masy. Łącząc oba pierwiastki, AM odblokowuje unikalne kompozycje stopów o właściwościach dostosowanych do indywidualnych potrzeb.
Potencjalne grupy stopów
- Intermetale Mo-Ti zapewniające wytrzymałość w ultrawysokich temperaturach
- Krzemki Mo-Ti o odporności na utlenianie powyżej 1500°C
- Borki Mo-Ti o ekstremalnej twardości w wysokich temperaturach
- Węgliki Mo-Ti dopasowane do poziomów twardości ceramiki
Te zaawansowane materiały pokonują bariery związane z tradycyjnym przetwarzaniem poprzez kontrolę składu i manipulację mikrostrukturą, co jest możliwe dzięki procesom AM metalu.
Aplikacje docelowe
- Naddźwiękowe pojazdy lotnicze i struktury ponownego wejścia w atmosferę
- Części gorących sekcji turbin odrzutowych i silników rakietowych nowej generacji o dwukrotnie wyższej temperaturze roboczej
- Lekkie silniki samochodowe o wysokiej temperaturze spalin
- Wewnętrzne elementy reaktora jądrowego stale pracujące w intensywnie radioaktywnych strumieniach ciepła.
- Elementy grzejne i osprzęt do pieców przemysłowych zwiększające temperaturę i wydajność
Produkcja addytywna usuwa ograniczenia związane z molibdenem i tytanem, otwierając nowe horyzonty dla zastosowań w ekstremalnych warunkach i wysokiej wydajności.
Najczęściej zadawane pytania
P: Do czego służy molibden?
O: Dzięki doskonałym właściwościom wysokotemperaturowym molibden jest stosowany jako dodatek stopowy do wzmacniania stali żaroodpornych i nadstopów stosowanych w przemyśle lotniczym, energetycznym, budowie pieców, komponentach rakietowych i innych wymagających zastosowaniach.
P: Czy molibden jest toksyczny?
O: Pierwiastkowy molibden i jego stopy mają ogólnie niski poziom toksyczności i są bezpieczne w zastosowaniach inżynieryjnych. Jednak niektóre związki molibdenu wdychane przez długi czas mogą mieć potencjalne działanie rakotwórcze, co uzasadnia stosowanie sprzętu ochronnego podczas obsługi i obróbki.
P: Czy tytan jest drogi?
Stopy tytanu charakteryzują się wyższymi kosztami surowców w porównaniu do stali i stopów aluminium. Jednakże, przy współczynnikach zakupu do lotu zbliżających się do 1 dla produkcji AM, koszty gotowych części tytanowych mogą być ekonomiczne dla branż takich jak lotnictwo i kosmonautyka, które chcą przyjąć nowe technologie i projekty.
P: Co sprawia, że tytan jest idealnym materiałem na implanty?
O: Biokompatybilność stopów tytanu w połączeniu z ich wysokim stosunkiem wytrzymałości do masy sprawia, że idealnie nadają się one do zastępowania ludzkiej kości. Moduł sprężystości można zmniejszyć do wartości zbliżonej do kości poprzez dodanie biokompatybilnych stabilizatorów beta, takich jak Nb i Ta, w celu zwiększenia trwałości implantów przenoszących obciążenia.
P: Który proces druku 3D jest stosowany w przypadku molibdenu i tytanu?
W przypadku wysokowydajnych części do zastosowań końcowych stosuje się głównie techniki stapiania w złożu proszkowym, takie jak selektywne topienie laserowe (SLM) i topienie wiązką elektronów (EBM). Wysokotemperaturowe źródło ciepła pozwala uzyskać materiały o niemal pełnej gęstości i doskonałych właściwościach dostosowanych do zastosowań inżynieryjnych.
P: Po co mieszać molibden z proszkiem tytanowym?
Molibden zwiększa twardość w wysokich temperaturach, odporność na pełzanie i właściwości podobne do stali narzędziowej, podczas gdy tytan zapewnia doskonałą odporność na korozję i niską gęstość. Razem, niestandardowe stopy wykonane przez bezpośrednie mieszanie proszków przy użyciu AM stanowią idealne połączenie dla zaawansowanych zastosowań.
