Przegląd
Tytan w proszku to wszechstronny materiał metaliczny ceniony za unikalne połączenie wysokiej wytrzymałości, niskiej gęstości, odporności na korozję i biokompatybilności. Jako proszek, tytan ułatwia zaawansowane techniki produkcji, takie jak formowanie wtryskowe metali (MIM), produkcja addytywna (AM), prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP) oraz prasowanie i spiekanie w metalurgii proszków (PM) w celu tworzenia złożonych elementów tytanowych.
Kluczowe zastosowania proszku tytanowego obejmują komponenty lotnicze, implanty medyczne, części samochodowe, sprzęt sportowy, przetwórstwo chemiczne i produkty konsumenckie. Niniejszy przewodnik zawiera kompleksowy przegląd proszku tytanowego, w tym metody produkcji, skład stopów, charakterystykę, właściwości, specyfikacje, zastosowania i globalnych dostawców. Ma on na celu pomóc inżynierom, projektantom produktów i kierownikom programów technicznych w wyborze i wykorzystaniu proszki tytanowe.
Produkcja proszku tytanowego
Proszek tytanowy jest produkowany przy użyciu następujących podstawowych metod:
Metody produkcji proszku tytanowego
- Atomizacja gazu - Gaz obojętny pod wysokim ciśnieniem rozbija stopiony tytan na kulisty proszek
- Atomizacja plazmowa - Łuki elektrod tytanowych tworzą bardzo drobny, sferyczny proszek
- Hydriding/Dehydriding - Proszek wodorku tytanu (TiO2) jest odwadniany do postaci drobnego proszku
- Frezowanie mechaniczne - Frezowanie kulowe rozbija tytanowe wióry na nieregularne cząstki
- Sferoidyzacja plazmy - Nieregularny proszek stopiony w plazmie w celu uzyskania kulistych kształtów
Atomizacja gazowa i mielenie mechaniczne są najbardziej powszechne, tworząc odpowiednio sferyczne i kanciaste kształty proszku. Dodatkowe przesiewanie, kondycjonowanie i mieszanie tworzą rozkłady wielkości cząstek specyficzne dla danego zastosowania.
Skład proszku tytanowego
Podczas gdy komercyjnie czysty proszki tytanowe Większość proszków do zastosowań przemysłowych zawiera niewielkie ilości pierwiastków stopowych:
Typowe kompozycje proszku tytanowego
| Stop | Podstawowe pierwiastki stopowe | Kluczowe cechy charakterystyczne |
|---|---|---|
| CP Titanium | 99.5%+ Ti | Doskonała odporność na korozję |
| Ti-6Al-4V | 6% Al, 4% V | Wysoka wytrzymałość, możliwość obróbki cieplnej |
| Ti-6Al-7Nb | 6% Al, 7% Nb | Wysoka wytrzymałość, biokompatybilność |
| Ti-555 | 5% Al, 5% Mo, 5% V | Możliwość obróbki cieplnej, możliwość obróbki mechanicznej |
| Ti-1023 | 10% V, 2% Fe, 3% Al | Wysoka wytrzymałość, dobra ciągliwość |
Aluminium, wanad i niob są powszechnymi dodatkami zwiększającymi wytrzymałość i obrabialność. Pojawiają się także śladowe ilości boru, węgla, żelaza i tlenu.
Stopowanie dostosowuje mikrostrukturę, twardość, skrawalność i inne właściwości, zachowując jednocześnie doskonałą odporność na korozję.
Charakterystyka proszków tytanowych
Kluczowe właściwości proszku tytanowego obejmują:
Charakterystyka proszku tytanowego
| Charakterystyka | Typowe wartości | Znaczenie |
|---|---|---|
| Wielkość cząstek | 10 - 150 mikronów | Zachowanie podczas spiekania, wykończenie powierzchni |
| Kształt cząsteczki | Kuliste, kanciaste, dendrytyczne | Przepływ proszku i gęstość upakowania |
| Gęstość pozorna | 1,5 - 4,0 g/cc | Zachowanie podczas naciskania i obsługi |
| Gęstość kranu | 2,5 - 4,5 g/cc | Wskaźnik ściśliwości |
| Natężenie przepływu w hali | 25 - 35 s/50g | Płynność proszku |
| Utrata przy zapłonie | 0.1 - 0.5 wt% | Zawartość tlenu i wilgoci |
| Piroforyczność | Brak | Środki ostrożności dotyczące palności i postępowania |
Rozkład wielkości cząstek i kształt proszku znacząco wpływają na przepływ proszku, zagęszczanie, reakcję spiekania i gęstość prasowanych i spiekanych części. Gęstość pozorna wskazuje na ściśliwość proszku.
Właściwości Proszki tytanowe
Kluczowe właściwości proszku tytanowego obejmują:
Właściwości proszku tytanowego
| Nieruchomość | Pure Ti | Ti-6Al-4V | Ti-6Al-7Nb |
|---|---|---|---|
| Gęstość | 4,5 g/cc | 4,43 g/cm3 | 4,52 g/cm3 |
| Wytrzymałość na rozciąganie | 240 MPa | 930 MPa | 900 MPa |
| Wytrzymałość na rozciąganie | 170 MPa | 860 MPa | 825 MPa |
| Wydłużenie | 24% | 10% | 15% |
| Moduł sprężystości | 102 GPa | 114 GPa | 105 GPa |
| Twardość | 80 HB | 334 HB | 321 HB |
| Pojemność cieplna | 522 J/kg-K | 526 J/kg-K | 527 J/kg-K |
| Przewodność cieplna | 7,2 W/m-K | 7,2 W/m-K | 6,7 W/m-K |
Stopy z aluminium, wanadem i niobem znacznie zwiększają wytrzymałość i twardość. Konkretne właściwości zależą w dużej mierze od końcowej mikrostruktury.
Zastosowania proszku tytanowego
Kluczowe zastosowania proszku tytanowego obejmują:
Zastosowania proszku tytanowego
| Przemysł | Zastosowania | Kluczowe powody |
|---|---|---|
| Lotnictwo i kosmonautyka | Elementy konstrukcyjne, łopatki turbin, elementy złączne | Wysoki stosunek wytrzymałości do wagi |
| Medyczny | Implanty ortopedyczne, implanty dentystyczne, narzędzia chirurgiczne | Biokompatybilność, odporność na korozję |
| Motoryzacja | Korbowody, zawory, sprężyny, elementy złączne | Lekkość, wydajność |
| Chemiczny | Zbiorniki, rury, zawory, pompy | Odporność na korozję |
| Artykuły sportowe | Kije golfowe, rowery, kaski | Wytrzymałość, dostosowane właściwości mechaniczne |
| Petrochemia | Narzędzia wiertnicze, części głowicy odwiertu | Wytrzymałość, odporność na korozję |
Unikalne właściwości tytanu sprawiają, że jest on atrakcyjny pod względem zmniejszania masy komponentów lotniczych przy jednoczesnym zachowaniu integralności mechanicznej w ekstremalnych warunkach.
Doskonała biokompatybilność i odporność na korozję napędzają zastosowanie w implantach ortopedycznych i dentystycznych. Możliwość dostosowania właściwości tytanu ułatwia produkcję sprzętu sportowego o wyspecjalizowanej charakterystyce.
Specyfikacje dla proszków tytanowych
Skład i jakość proszku tytanowego są określone przez różne standardowe specyfikacje:
Normy dla proszku tytanowego
| Standard | Zakres | Wielkość cząstek | Czystość | Chemia |
|---|---|---|---|---|
| ASTM B348 | Proszek niestopowego Ti klasy 1-4 | -635 oczek | 99.5%, 99.9%, 99.95% Ti | Limity O, C, N, H |
| ASTM B801 | Proszek ze stopu Ti-6Al-4V | -635 oczek | Zakresy składu Ti, Al, V | Limity śródmiąższowe |
| ISO 23301 | Produkcja addytywna proszku Ti | 10-45 mikronów | 99.5%+ Ti | Limity O, N, C, H, Fe |
| AMS 4992 | Proszek Ti-6Al-4V klasy lotniczej | -150 mesh | Zakresy składu Ti, Al, V | Limity śródmiąższowe |
Określają one dopuszczalne poziomy dodatków stopowych, zanieczyszczeń, takich jak tlen/azot/węgiel, rozkłady wielkości cząstek i inne metody testowe istotne dla różnych zastosowań.
Globalni dostawcy Proszki tytanowe
Wiele dużych korporacji produkuje proszki tytanowe wraz z mniejszymi regionalnymi producentami:
Producenci proszków tytanowych
| Dostawca | Metody produkcji | Materiały | Możliwości |
|---|---|---|---|
| ATI Metals | Atomizacja gazu | Ti-6Al-4V, Ti-1023, czysty Ti | Szeroki zakres stopów, duże objętości |
| Praxair | Atomizacja gazu | Ti-6Al-4V, CP Ti | Małe partie, szybka dostawa |
| Carpenter Additive | Atomizacja gazu, wodorek-wodorek | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, czysty Ti | Stopy na zamówienie, małe partie |
| AP&C | Atomizacja plazmowa | CP Ti, stopy Ti | Bardzo drobny proszek 10-45 mikronów |
| Tekna | Sferoidyzacja plazmy | Ti-6Al-4V, CP Ti | Przekształcanie wiórów w kulisty proszek |
| Baoji Hanz Titanium | Hydriding | CP Ti, Ti-6Al-4V | Niski koszt - chiński producent |
Wiele z nich dostarcza zarówno standardowe, jak i niestandardowe kompozycje stopów. Niektóre zapewniają płatne przetwarzanie złomu i wiórów w proszek.
Wybór proszku tytanowego
Kluczowe kwestie dotyczące wyboru proszku tytanowego obejmują:
- Skład stopu - Równoważy pożądane właściwości, takie jak wytrzymałość, plastyczność, twardość
- Poziom czystości - Wpływa na właściwości mechaniczne i mikrostrukturę
- Rozmiar i kształt cząstek - Wpływa na przepływ proszku, gęstość, wykończenie powierzchni
- Gęstość pozorna i kranowa - Wskazuje ściśliwość i reakcję spiekania
- Kompatybilność chemiczna - Dla warunków pracy takich jak kwasy lub słona woda
- Procedury pobierania próbek - Reprezentatywne testy partii proszku
- Certyfikaty jakości - ISO 9001, AS9100 itp.
- Wiedza techniczna od producenta proszku
Próbki i prototypy pomagają zakwalifikować nowe stopy i proszki do danego zastosowania. Ścisła współpraca z renomowanymi dostawcami w celu uzyskania dobrze scharakteryzowanego proszku tytanowego dla uzyskania optymalnych wyników.
FAQ
Jakie są zalety proszku tytanowego rozpylanego plazmowo?
Atomizacja plazmowa wytwarza bardzo kuliste, płynne cząstki o wielkości zazwyczaj 10-45 mikronów. Zapewnia to doskonałą gęstość spieku i wykończenie powierzchni.
Co powoduje, że proszek tytanowy jest piroforyczny?
Piroforyczne proszki tytanu zapalają się spontanicznie w powietrzu. Jest to spowodowane bardzo małymi rozmiarami cząstek poniżej 10 mikronów, które znacznie zwiększają powierzchnię i reaktywność. W przypadku proszków piroforycznych należy używać gazu obojętnego.
Jak kształt cząstek wpływa na właściwości proszku tytanowego?
Sferyczny proszek dobrze się rozprowadza i zapewnia wyższą i bardziej jednolitą gęstość oraz właściwości mechaniczne. Nieregularny proszek oferuje lepszą wytrzymałość i ściśliwość, ale mniej przewidywalny skurcz.
Jaka obróbka końcowa może poprawić ponowne wykorzystanie proszku tytanowego?
Przesiewanie, mielenie i obróbka termiczna umożliwiają ponowne wykorzystanie proszków poza specyfikacją. Sferoidyzacja plazmowa przekształca wióry i grubsze cząstki w sferyczny surowiec proszkowy.
Jakie normy mają zastosowanie do produkcji addytywnej części tytanowych?
Norma ASTM F3001-14 obejmuje charakterystykę i kontrolę jakości proszku stopu tytanu do AM. Norma ASTM F2924-14 podaje standardowe metody testowania do oceny właściwości mechanicznych tytanu AM.
Czy można wydrukować w 3D strukturę kompozytową z tytanu i stali?
Tak, niektóre procesy druku 3D z metalu przechodzą między stopami tytanu i stali nierdzewnej w ramach jednej części poprzez precyzyjne przełączanie materiałów w celu tworzenia komponentów bimetalicznych.
Wnioski
Proszek tytanowy zapewnia inżynierom dużą elastyczność w budowaniu wysokowydajnych komponentów dzięki unikalnym właściwościom tego metalu. Staranny dobór właściwości proszku i ścisła współpraca z doświadczonymi dostawcami umożliwia uzyskanie optymalnych wyników w wielu krytycznych zastosowaniach. Ciągłe postępy nadal zwiększają możliwości, jakość i opłacalność procesów metalurgii proszków tytanu.
