Table of Contents

Критическая роль порошков из титанового сплава в аддитивном производстве

Титановые сплавы, в частности Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI и Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr, стали незаменимыми в высокопроизводительном аддитивном производстве (AM). Их исключительное соотношение прочности к весу, коррозионная стойкость и биосовместимость делают их материалами выбора для аэрокосмических структурных компонентов, ортопедических имплантатов, элементов теплообменника и автомобильного облегчения. Однако успех любой 3D-печатной титановой части начинается с качества стартового порошка. Способ производства диктует распределение размера частиц, морфологию, химическую чистоту и текучесть; все из которых непосредственно влияют на уплотнение, отделку поверхности и механические свойства конечного компонента.

По мере перехода аддитивного производства от прототипирования к серийному производству спрос на последовательные высокопроизводительные порошки из титанового сплава усилился.В этой статье представлен всеобъемлющий технический обзор основных производственных маршрутов, доступных сегодня, изучая их основные принципы, преимущества, ограничения и пригодность для различных платформ AM.

Ключевые требования к порошку из титанового сплава в 3D-печати

Прежде чем оценивать конкретные методы производства, важно понять, что делает порошковое сырье пригодным для аддитивного производства.

  • Сферичность и морфология: Сферические частицы обеспечивают лучшую проходимость, более высокую плотность упаковки и более равномерное распространение порошка в порошкообразных системах синтеза. Нерегулярные частицы вызывают мостовое и непоследовательное осаждение слоя.
  • Распределение размеров частиц (PSD) : Для лазерного сплава порошкового слоя (LPBF) типичный PSD колеблется от 15-45 & #181;m (тонкий) или 45-75 & #181;m (грубый). Для плавления электронного пучка (EBM) распространены более грубые распределения, такие как 45-106 & #181;m. Узкий PSD уменьшает сегрегацию и улучшает стабильность процесса.
  • Химическая чистота и содержание кислорода: Титан обладает высокой реактивностью при повышенных температурах. Кислородный пикап ухудшает пластичность и усталость жизни. Приемлемые уровни кислорода для аэрокосмических порошков обычно ниже 0,13 мас.% для Ti-6Al-4V. Азот и водород также должны жестко контролироваться.
  • Плодоустойчивость: Измеряется с помощью расходомера Холла или соотношения Хаузнера, хорошая текучесть обеспечивает последовательное ограждение и подачу.Угол значений покоя ниже 35° желателен.
  • Показатель и плотность крана: Более высокие плотности уменьшают усадку и пористость в напечатанной части.
  • Переработка: В процессах с порошковым слоем неиспользованный порошок просеивается и повторно используется. Порошки, которые сохраняют свои свойства посредством нескольких циклов сборки, уменьшают отходы и стоимость.

Процессы атомизации: доминирующий производственный путь

На атомизацию приходится подавляющее большинство порошков титанового сплава, используемых в 3D-печати. Принцип прост: расплавленный поток титанового сплава разбивается на мелкие капли, которые затвердевают перед контактом со стенками контейнера. Выбор среды атомизации и геометрии определяет результирующие характеристики частиц.

Атомизация газа

Атомизация газа (ГА) — наиболее устоявшийся и широко используемый способ получения порошков титанового сплава. В типичной системе атомизации инертного газа бар высокой чистоты или проволочное сырье расплавляют в тигле или путем индукционного нагрева. Расплавленный поток выходит из сопла и сразу же попадает в высокоскоростные струи аргона или гелия. Кинетическая энергия газа разбивает жидкость на капли, которые затвердевают при падении через вышку атомизации.

Основные преимущества FLT:0 включают в себя отличную сферичность, высокую текучесть и жесткий контроль над PSD. Современные газовые атомизаторы могут давать выходы до 80% в критическом диапазоне 15-45 & #181;m, с низким спутниковым образованием. Гелий, хотя и дороже аргона, обеспечивает более быстрые скорости охлаждения и более мелкие частицы. Процесс хорошо подходит как для мелкосерийного производства, так и для крупномасштабного тоннажа.

Однако у газоатомизации есть ограничения. Использование тигля вносит потенциальное загрязнение от керамических включений. Для решения этой проблемы многие производители используют электрод-индукционную расплавленную газовую атомизацию (EIGA), где вращающийся стержень из титанового сплава плавится индукцией без тигля. Расплав падает как поток и атомизируется инертным газом, устраняя огнеупорный металлический пикап.

Ведущие поставщики, такие как Aperam и Carpenter Technology, предлагают газоатомизированные порошки Ti-6Al-4V, сертифицированные по стандартам ASTM F2924 и AMS 4998.

Атомизация плазмы

Атомизация плазмы (ПА) использует высокотемпературную плазменную дугу для расплавления титанового сплава, достигая температуры, превышающей 10 000 К. Затем расплав атомизируется самим газом плазмы или отдельными газовыми струями. Этот метод особенно эффективен для реактивных металлов, потому что атмосфера плазмы может управляться очень низкой кислородной средой.

Основным преимуществом атомизации плазмы является сверхвысокая чистота и , превосходящая сферичность . Порошки, производимые этим методом, часто имеют уровень кислорода ниже 0,08 мас.% и отображают почти совершенную сферическую морфологию с минимальными спутниками. Процесс также позволяет производить очень тонкие частицы (до 5 & #181;м) без чрезмерной агломерации.

С другой стороны, атомизация плазмы является капиталоемкой и имеет более низкую пропускную способность, чем атомизация газа. Высокое потребление энергии делает ее экономически запрещенной для порошков товарного класса. Обычно она зарезервирована для премиальных применений, таких как медицинские имплантаты или аэрокосмические компоненты, которые требуют самого высокого уровня чистоты. Такие компании, как PESAsimetal и Advanced Powder & Particles специализируются на плазменно-атомизированных титановых порошках.

Атомизация воды

Атомизация воды (WA) является более дешевой альтернативой, в которой расплавленный титановый поток распадается струями воды высокого давления. Быстрое закалывание производит нерегулярные угловые частицы с высоким содержанием кислорода на поверхности. Хотя метод экономичен и может достигать высоких темпов производства, полученный порошок обычно не подходит для процессов синтеза на порошковой слое, которые требуют хорошей текучести.

Водно-атомизированные титановые порошки находят ограниченное применение в струйном связывании и холодном распылении, где форма частиц менее критична. Для лазерного АМ нерегулярная морфология приводит к плохому покрытию и непоследовательному плавлению. Однако последующая обработка посредством механической сфероидизации или термической сфероидизации плазмы может улучшить округлость, хотя и за дополнительную плату.

Центробежная и вращающаяся атомизация электродов

Процесс вращающегося электрода (REP) и процесс вращающегося электрода плазмы (PREP) являются вариантами центробежной атомизации. В PREP стержень из титанового сплава вращается с высокой скоростью (10 000–30 000 об/мин), в то время как дуга плазмы плавит свой кончик. Центробежная сила выбрасывает расплавленные капли, которые затвердевают в очень сферические порошки. Отсутствие плавящего тигля и высокие центробежные силы приводят к исключительно чистым, сферическим частицам с низким содержанием кислорода и минимальными спутниками.

Порошки PREP высоко ценятся для требовательных аэрокосмических применений, особенно для плавления электронного пучка (EBM). Распределение размеров частиц имеет тенденцию быть более грубым (типичный диапазон 45-150 & #181;m), что хорошо согласуется с требованиями EBM. Основным недостатком является ограниченная пропускная способность и высокая стоимость оборудования. Производители, такие как Retih , оптимизировали PREP для реактивных металлов.

Маршруты механического и химического производства

Хотя доминирует атомизация, альтернативные методы используются для конкретных характеристик порошка или когда снижение затрат имеет первостепенное значение.

Процесс гидроида-дегидрида (HDH)

Процесс HDH начинается с металлолома титанового сплава или девственной губки, которая нагревается в водородной атмосфере для образования хрупкого гидрида титана. Гидридированный материал измельчается, измельчается и просеивается для достижения желаемого диапазона размеров частиц. Полученный порошок затем дегидрогенизируется в вакууме при повышенных температурах, производя нерегулярные угловые частицы высокой чистоты.

Порошки HDH значительно дешевле атомизированных порошков и используются в металлическом литье под давлением (MIM), термическом распылении и холодном распылении. Для 3D-печати нерегулярная морфология ограничивает их использование для струйного связывания и холодного распыления. Последние достижения в технологии фрезерования улучшили сферичность, но порошки HDH по-прежнему отстают от атомизированных аналогов в текучести. Содержание кислорода может быть выше из-за стадии фрезерования, хотя тщательный контроль процесса может держать его в пределах спецификации.

Механическая фрезерная обработка / Механическая легировка

Механическое измельчение чипов из титанового сплава или гранул на шаровых мельницах высокой энергии производит тонкие порошки с контролируемым составом. Этот метод особенно полезен для получения композиций из пользовательского сплава или смешивания небольших добавок других элементов. Однако процесс медленный, энергоемкий и вносит значительное загрязнение из фрезерной среды и атмосферы. Для 3D-печати механически измельченные порошки редко используются из-за плохой сферичности и высокой плотности дефектов.

Методы химического восстановления

Разрабатываются различные химические пути для получения тонких титановых порошков по более низкой цене. Армстронговый процесс (ITT) уменьшает тетрахлорид титана с расплавленным натрием в непрерывном реакторе, производя губчатый порошок, который можно измельчать в нерегулярные частицы.FFC Кембриджский процесс использует электролитическое сокращение диоксида титана в расплавленном хлориде кальция для непосредственного производства низкокислородного титанового металла.MER Corporation даёт титановый порошок с регулируемым размером частиц.

Эти химические методы все еще находятся в разработке или в ограниченной коммерциализации. Их потенциал заключается в обходе стадии плавления, которая снижает потребление энергии и улавливание кислорода. По мере созревания химии они могут предложить преимущества по стоимости для крупномасштабных применений, особенно в автомобильной и бытовой электронике.

Последующее производство и обеспечение качества

Независимо от способа производства, сырой порошок должен пройти несколько этапов постобработки, чтобы соответствовать стандартам аддитивного производства.

Сеятельность и классификация

После атомизации или фрезерования порошки просеиваются через вибрационные или струйные экраны для достижения целевого распределения размеров частиц. Распространены множественные стадии просеивания: один для удаления частиц негабаритного размера, а другой для удаления мелких частиц. Для критических применений используется лазерный дифракционный анализ (ISO 13320) для проверки ПСД.

слияние

Иногда порошки из разных партий смешиваются для достижения согласованной химии или PSD. Для поддержания сертификации требуется строгая прослеживаемость и документация.

Тестирование плавучести и плотности

Стандартные испытания на ASTM B213 (Hall flowmeter) и ASTM B212 (Apgarent density) проводятся в обычном режиме. Для порошков, предназначенных для AM с порошковой кроватью, расходомер Carney (ASTM B964) обеспечивает более согласованные результаты для мелких фракций. Сжимаемость и зеленая прочность также измеряются для сырья для струйной перекачки связующего.

Химический анализ

Кислород, азот, водород и углерод определяются путем инертного газообразования (LECO). Примеси металлов анализируются индуктивно связанной плазмой (ICP-OES). Соблюдение ASTM F2924 или ASTM F3001 является обязательным для порошков медицинского класса.

Порошковое повторное использование и старение

При плавлении лазерного или электронного пучка порошок испытывает тепловой цикл и может улавливать кислород и конденсат. Проведение просеивания после каждой сборки удаляет агломераты и брызги, но после нескольких циклов повторного использования порошок может разлагаться. Процессоры должны реализовать качественные затворы для проверки того, остается ли порошок в пределах спецификации. Некоторые производители оригинального оборудования (OEM) ограничивают повторное использование определенным количеством сборок или требуют соотношения свежей смеси.

Выбор правильного метода для вашего приложения

Идеальный метод производства определяется требованиями конечного использования, технологией AM и бюджетом.

Аэрокосмические приложения

Для критических структурных частей, таких как лопасти турбины, скобки и компоненты шасси, самые высокие уровни чистоты, сферичности и согласованного PSD являются не подлежащими обсуждению. Предпочтительны атомизация газа (особенно EIGA) и атомизация плазмы. Эти порошки соответствуют строгим спецификациям AMS и совместимы как с LPBF, так и с EBM. Содержание кислорода должно быть ниже 0,13 мас.%, и контроль включения имеет решающее значение.

Медицинские имплантаты

Клиническое использование требует сверхнизкого загрязнения и отличной биосовместимости. Стандартными являются Ti-6Al-4V ELI (дополнительно низкие интерстициальные) порошки с кислородом ниже 0,13 мас. плазмаатомизированные или PREP-порошки часто выбираются за их превосходную чистоту и сферическую морфологию. Для пористых структур имплантатов может быть приемлемым более широкий PSD; газовоматомизированных порошков также достаточно.

Автомобильные и потребительские товары

Стоимость является основным фактором в автомобильной AM. В то время как газомеризованные порошки по-прежнему распространены, растет интерес к порошкам HDH, смешанным с частью атомизированного сферического порошка, чтобы сбалансировать текучесть и стоимость. Биндер-струйтинг и холодный спрей могут переносить нерегулярные частицы, что делает HDH и гидроатомизированные порошки жизнеспособными альтернативами.

Специализированные сплавы и R&D

Для разработки новых сплавов механическое фрезерование или химическое восстановление обеспечивает гибкость в составе.Небольшие партии экспериментальных методов часто используются для тестирования материалов перед масштабированием до атомизации.

Тенденции и будущие направления

В связи с растущим распространением АМ стремительно развивается ландшафт производства титанового порошка.

  • Расширение атомизации газа : строятся новые объекты с многотонной мощностью для обеспечения цепочек поставок для аэрокосмических и медицинских OEM-производителей.
  • Сокращение затрат за счет предварительной переработки легированного лома : Переработка сварного и неудавшегося сырья в замкнутом цикле становится экономически жизнеспособной.
  • Альтернативные источники плавления : Индукционное плавление черепа (без тиглей) сопряжено с атомизацией инертного газа для дальнейшего снижения загрязнения.
  • Мониторинг процесса в режиме реального времени: анализ размера частиц и химические датчики интегрируются в линии атомизации для более жесткого контроля качества.
  • Контролируемое сокращение спутников : Достижения в конструкции сопла и газовой динамике уменьшают образование небольших спутников, прикрепленных к более крупным частицам.
  • Устойчивость : оптимизация повторного использования порошка и химические маршруты с более низкой энергией согласуются с нулевыми целями.

Заключение

Производство порошка из титанового сплава для 3D-печати является сложной областью, где выбор метода напрямую влияет на качество деталей и стоимость производства. Атомизация газа остается рабочей лошадкой, обеспечивая сферичность, текучесть и согласованность, которые требуют порошковые процессы. Атомизация плазмы и PREP обеспечивают премиальную чистоту для самых строгих применений, в то время как атомизация воды и HDH обеспечивают экономически эффективные альтернативы для менее критических технологий AM. По мере созревания индустрии аддитивного производства текущие инновации в атомизации, химическом синтезе и переработке порошка будут продолжать расширять диапазон доступных порошков и снижать затраты, что позволяет более широкое внедрение титана в легких, высокопроизводительных приложениях.