Bubuk logam titanium metalurgi memungkinkan pembuatan komponen struktural ringan yang canggih yang menggabungkan kekuatan spesifik yang tinggi, ketahanan terhadap korosi, dan biokompatibilitas. Panduan ini mencakup metode produksi bubuk titanium, karakteristik, strategi pemaduan, aplikasi, spesifikasi, harga, dan perbandingan terhadap logam alternatif. Panduan ini juga mencakup arahan penelitian dan rekomendasi ahli dalam memproses bubuk titanium untuk mendapatkan sifat yang optimal.
Ikhtisar
Atribut utama membuat bubuk logam titanium berguna di berbagai industri mulai dari kedirgantaraan hingga medis:
- Rasio kekuatan-terhadap-berat tertinggi dari semua elemen logam
- Sepenuhnya biokompatibel dan tidak beracun
- Tahan terhadap korosi air asin, air dan fisiologis
- Inert secara termal dari suhu kriogenik hingga 600°C
- Lebih ulet daripada paduan kekuatan tinggi pesaing
- Kompatibilitas pencetakan 3D fusi bedengan bubuk
- Memungkinkan komposit ringan dan struktur yang diperkuat
Pengembangan metalurgi serbuk titanium yang berkelanjutan kini memungkinkan komponen cetak yang lebih besar untuk implan ortopedi, komponen kedirgantaraan, sistem mobil, dan banyak aplikasi teknik umum yang memanfaatkan manfaat intrinsik titanium.
Bubuk logam titanium Komposisi
Titanium murni komersial terdiri dari >99% titanium dengan oksigen rendah dan pengotor besi:
| Elemen | Berat % | Peran |
|---|---|---|
| Titanium (Ti) | 99.5%+ | Ketahanan korosi, kekuatan |
| Oksigen (O) | <0,20% | Kontaminan - mengurangi keuletan |
| Besi (Fe) | <0,30% | Kontaminan - mengurangi ketahanan terhadap korosi |
| Nitrogen (N) | <0,03% | Kontaminan - menyebabkan embrittlement |
| Karbon (C) | <0,10% | Kontaminan - mengurangi ikatan |
Reaktivitas titanium yang tinggi berarti titanium tidak pernah ditemukan dalam bentuk murni secara alami. Namun setelah diekstraksi dan dimurnikan menjadi bubuk, titanium menunjukkan sifat luar biasa yang cocok untuk membuat komponen berkinerja tinggi.
Karakteristik dan Properti
- Tinggi kekuatan tarik - 490 MPa
- Kepadatan - 4,5 g/cm3
- Titik leleh - 1668°C
- Ekspansi termal - 8,6 μm/(m.K)
- Resistivitas listrik - 420 nΩ.m
- Konduktivitas termal - 21,9 W/(m.K)
- Paramagnetik tanpa biotoksisitas
- Biokompatibilitas yang sangat baik
Sifat-sifat ini sangat bergantung pada kontrol pengotor selama tahap produksi bubuk seperti yang dijelaskan selanjutnya.
Metode Produksi Bubuk Titanium
Proses Armstrong
- Mereduksi titanium tetraklorida dengan natrium / magnesium di bawah atmosfer lembam
- Memfasilitasi bubuk elemen interstisial rendah yang cocok untuk pembuatan aditif
Proses Hidrida-Dehidrida (HDH)
- Metode paling umum untuk mengubah spons titanium menjadi bubuk bulat
- Biaya lebih rendah tetapi pengambilan oksigen lebih tinggi yang membutuhkan pengoptimalan
| Langkah-langkah | Detail |
|---|---|
| Bahan baku | Batangan titanium atau spons |
| Hydriding | Proses mereaksikan Ti dengan hidrogen untuk membuat TiH2 yang rapuh |
| Penggilingan | Menghancurkan hidrida menjadi partikel bubuk halus |
| De-hidriding | Menghilangkan hidrogen dari TiH2 dengan hati-hati |
| Pengkondisian | Pengeringan, pencampuran, penyesuaian distribusi ukuran partikel |
| Pengujian Akhir | Uji kimia, distribusi ukuran partikel, pemeriksaan morfologi |
Karakteristik utama:
- Ukuran partikel disetel antara 15 mikron hingga 150 mikron
- Morfologi hampir bulat dengan beberapa satelit
- Tingkat pengotor oksigen dan nitrogen yang rendah dan terkendali
- Meminimalkan oksidasi permukaan menggunakan perlakuan panas stabilisasi
- Pencampuran kimia khusus dapat dilakukan dengan mencampurkan bubuk hidrida
Bagian berikutnya menyoroti beberapa pendekatan untuk mengkonsolidasikan serbuk titanium ke dalam komponen dan komponen penggunaan akhir.
Aplikasi Menggunakan Bubuk logam titanium
Manufaktur Aditif
- Pencetakan geometri kompleks 3D menggunakan fusi bedak bubuk laser
- Implan kedirgantaraan dan medis seperti sendi lutut/pinggul ortopedi
- Bobot yang ringan jika tidak ada komponen mesin
Cetakan Injeksi Serbuk
- Volume tinggi bentuk bersih komponen kecil seperti pengencang
- Konsolidasi hemat biaya ke dalam perangkat keras titanium
Cetakan Injeksi Logam
- Bagian titanium kecil yang rumit dengan dinding tipis
- Katup dan alat kelengkapan tahan korosi
Mesin Press dan Sinter Metalurgi Serbuk
- Pengepresan Isostatik Panas untuk titanium yang dienkapsulasi
- Struktur berpori seperti permukaan tulang yang sedang tumbuh
Penyemprotan Termal
- Lapisan titanium yang tahan aus dan korosi
- Menyelamatkan komponen yang aus melalui lapisan logam
Muncul: Pencetakan 3D jet pengikat menggunakan perekat polimer bersama dengan konsolidasi ultrasonik dan teknik aditif semprotan dingin yang sekarang sedang dikembangkan.
Berikut ini kami menguraikan detail spesifikasi umum yang digunakan untuk memesan bubuk titanium khusus.
Spesifikasi Bubuk Titanium
Serbuk titanium yang tersedia secara komersial untuk keperluan industri sesuai dengan metrik kualitas yang telah ditetapkan:
| Parameter | Nilai-nilai Khas |
|---|---|
| Distribusi Ukuran Partikel | 10 μm hingga 150 μm |
| Bentuk Partikel | Sebagian besar berbentuk bulat |
| kerapatan keran | 2,2 g/cc hingga 3,0 g/cc |
| Kepadatan yang tampak | 1,5 g/cc hingga 2,0 g/cc |
| Kemurnian | Kandungan titanium 99,7% |
| Pengotor Oksigen | <2000 ppm |
| Pengotor Nitrogen | <150 ppm |
| Pengotor Hidrogen | <100 ppm |
| Kemampuan mengalir | Ditingkatkan melalui pelapisan kering |
Rekayasa partikel - Lebih kecil memang sulit tetapi lebih baik. Lebih besar dari 100 mikron berisiko ketidaksempurnaan.
Kemurnian - Sangat penting bagi properti dan tergantung pada rute produksi.
Karakteristik bubuk - Disesuaikan dengan teknik konsolidasi dan kinerja material yang diinginkan.
Kustomisasi yang signifikan dapat dilakukan tetapi membutuhkan komitmen batch MOQ. Kemitraan pasokan memfasilitasi pengembangan aplikasi.
Wawasan Pengolahan Bubuk Titanium
Menangani serbuk titanium halus menimbulkan risiko pembakaran yang membutuhkan kontrol keamanan:
- Gunakan kotak sarung tangan gas inert untuk penyimpanan dan penanganan
- Hindari menyimpan dalam jumlah besar di dekat sumber penyalaan
- Peralatan arde listrik untuk menghilangkan penumpukan statis
- Menggunakan sistem vakum dan ventilasi khusus
- Melindungi zat antara reaktif secara termal seperti hidrida
- Ikuti protokol keselamatan yang ketat mengingat reaktivitas material
Bagian selanjutnya membahas tentang keekonomisan bubuk titanium yang tetap lebih mahal daripada bentuk logam tempa tradisional.
Analisis Harga Bubuk Titanium
| Produk | Kisaran Harga |
|---|---|
| Bubuk Ti kelas R & D | $800+ per kg |
| Kelas industri | $100+ per kg |
| Kelas kedirgantaraan | $200+ per kg |
| Kelas medis | $500+ per kg |
Ekonomi produksi serbuk mendominasi biaya komponen jadi relatif terhadap nilai tambah material. Tetapi potensi ringannya membenarkan adopsi untuk aplikasi mobilitas penerbangan, ruang angkasa, dan balap.
Persyaratan kimiawi yang ketat untuk sertifikasi biokompatibilitas meningkatkan tingkat harga medis. Nitrogen yang tinggi membuat bubuk tidak cocok untuk perangkat implan kontak tulang.
Kemitraan pasokan dan pengaturan LTA yang memenuhi syarat membantu mengamankan harga terbaik yang menstabilkan volatilitas bahan baku variabel dalam biaya spons titanium yang dikendalikan ekspor.
Perbandingan Terhadap Alternatif
Titanium bersaing dengan baja, paduan aluminium, magnesum, dan komposit canggih:
| Bahan | Kekuatan Tarik | Kepadatan | Ketahanan Korosi | Kompatibilitas hayati | Biaya |
|---|---|---|---|---|---|
| Titanium Ti64 | Tinggi | Cahaya | Luar biasa | Luar biasa | $$$ |
| Baja Tahan Karat 316L | Sedang | Berat | Bagus. | Adil | $ |
| Al 6061 | Sedang | Cahaya | Miskin | Bagus. | $ |
| Paduan CoCr | Tinggi | Berat | Luar biasa | Risiko toksisitas | $$ |
| Mg AZ91 | Rendah | Teringan | Adil | Bagus. | $ |
| Mengintip Polimer | Sedang | Rendah | Luar biasa | Bio-inert | $$$ |
Manfaat Titanium
- Rasio kekuatan terhadap berat tertinggi
- Ketahanan korosi penuh
- Biokompatibilitas yang terbukti
- Infrastruktur pasokan yang tersedia
Keterbatasan Titanium
- Sensitivitas tinggi terhadap geometri desain
- Kelelahan yang rumit dan membuat lelah
- Penanganan serbuk reaktif membutuhkan kontrol
- Harga bahan baku yang relatif mahal
Memahami pertukaran teknis dan komersial ini membantu mengidentifikasi aplikasi ideal yang paling menguntungkan dari metalurgi serbuk titanium.
Prospek Penelitian dan Pengembangan
Upaya yang muncul untuk meningkatkan bubuk titanium meliputi:
Desain Paduan
- Komposisi yang disesuaikan untuk implan dermatologis
- Paduan entropi tinggi dengan campuran unsur eksotis
Pemodelan
- Memprediksi evolusi mikrostruktur selama perlakuan panas
- Mengkarakterisasi batas penggunaan ulang bubuk
Proses AM
- Pencetakan jet pengikat diikuti dengan sintering gelombang mikro
- Manufaktur hibrida yang menggabungkan densifikasi semprotan dingin
Produksi Bubuk
- Spheroidisasi elektrostatik tanpa hidridasi
- Campuran bubuk titanium berbiaya rendah melalui penggunaan ulang
Aplikasi
- Prototipe turbin kedirgantaraan yang memenuhi syarat
- Perangkat manajemen termal elektronik
- Gearbox transmisi variabel kontinu
Ringkasan
Titanium adalah elemen logam dengan rasio kekuatan-terhadap-berat tertinggi, tetapi selalu terkenal sulit untuk diekstraksi dan dibuat dengan menggunakan teknik pengecoran dan pemesinan tradisional. Kemajuan metalurgi serbuk terbaru mengubah potensi titanium untuk menghasilkan komponen cetak yang ringan dan berkekuatan tinggi yang menggabungkan ketahanan terhadap korosi dan biokompatibilitas. Menyesuaikan kesesuaian kimiawi di seluruh aplikasi medis, kedirgantaraan, dan otomotif sekarang membuka geometri inovatif yang sebelumnya tidak mungkin dilakukan, baik secara teknis maupun ekonomis. Namun, penanganan risiko reaktivitas piroforik dari bubuk titanium halus tetap menjadi penghalang keahlian yang membutuhkan kewaspadaan ekstrem saat menjajaki adopsi. Bekerja sama dengan mitra material spesialis memungkinkan pemanfaatan potensi penuh titanium sekaligus mengurangi risiko operasional.