钛粉 是使用选择性激光熔融 (SLM) 和电子束熔融 (EBM) 等增材制造技术打印高强度、轻质钛部件的关键材料。本指南全面介绍了用于 AM 的钛粉。
用于 AM 的钛粉简介
钛粉可用于三维打印具有特殊性能的钛部件：
- 高强度重量比
- 卓越的耐腐蚀性
- 良好的高温性能
- 医疗用途的生物兼容性
- 反应性强，需要控制处理
用于 AM 的常见钛合金：
- Ti-6Al-4V (Ti64)
- 钛-6Al-7Nb（Ti647）
- 钛-5Al-5Mo-5V-3Cr（Ti5553）
- Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6-2-4-2)
主要粉末特征
- 化学和微观结构
- 颗粒大小和分布
- 颗粒形状和形态
- 纯净
- 流动性和表观密度
Ti-6Al-4V 粉末
Ti-6Al-4V 是 AM 中最常用的钛合金粉末：
- 将强度、延展性和耐腐蚀性完美地结合在一起
- AM 部件的强度可达 1300 兆帕甚至更高
- 在 1600°C 左右熔化，印刷时需要热管理
- 对氧气拾取敏感--需要受控气氛
应用：
- 航空航天和汽车零部件
- 生物医学植入物，如矫形膝关节和髋关节置换术
- 食品和化学加工业部件
- 消费品
供应商： AP&C、Tekna、Carpenter Additive、Arcam AB
Ti-6Al-7Nb 粉末
Ti-6Al-7Nb 粉末具有优异的拉伸强度和抗蠕变性：
- 沉淀硬化产生的高强度可达 1500 兆帕
- 良好的焊接性
- 用作有毒钒合金的替代品
- 需要热等静压 (HIP)，以尽量减少空隙
应用：
- 机身和涡轮机等航空航天部件
- 承受高应力的赛车零件
- 种植牙和医疗修复
- 船舶和螺旋桨等海洋应用
供应商： AP&C, TLS Technik GmbH, Tekna
Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr 粉末
Ti-5-5-5-3 粉末具有优异的淬透性和深淬性：
- 强度超过 1400 兆帕
- 在 350°C 以上温度下仍能保持性能
- 用于加工难以加工的钛合金零件
- 具有高抗疲劳性和蠕变强度
应用：
- 飞机起落架和结构部件
- 一级方程式赛车发动机和底盘组件
- 涡轮发动机盘和压缩机部件
- 航空紧固件和五金件
供应商： AP&C、Carpenter Additive、Arcam AB
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 粉末
Ti-6-2-4-2 粉末具有优异的抗热气侵蚀性：
- 抗氧化和抗腐蚀能力高达 600°C
- 强度极高，可达 1300 兆帕
- 用于高温气体工件
- 需要热等静压才能达到全密度
应用：
- 飞机发动机叶片和叶片
- 火箭发动机喷嘴
- 受热气流影响的导弹部件
- 核反应堆组件
供应商： AP&C、Tekna、山特维克 Osprey
1 级和 2 级钛
1 级和 2 级非合金 钛粉 具有出色的耐腐蚀性：
- 纯度高，间隙元素少
- 出色的生物相容性
- 与合金相比强度较低；约 380 兆帕
- 用于化学、海洋和消费应用
应用：
- 颅骨板等生物医学植入物
- 化学反应器皿和管道
- 螺旋桨轴等船用部件
- 食品加工设备
供应商： AP&C、TLS Technik、Tekna Plasma Systems
铝化钛粉
铝钛合金（如 Ti4522）可印刷轻质部件：
- 低密度 - 3.7 克/立方厘米
- 强度高达 1000 兆帕
- 卓越的耐腐蚀性
- 高温能力高达 750°C
- 由于冷却和凝固速度快，加工难度大
应用：
- 航空航天压缩机部件
- 汽车涡轮增压器车轮
- 燃烧室衬垫
- 导弹和飞机结构
供应商： 肯纳金属、AP&C、山特维克
钛粉生产方法
1.气体雾化
- 用于将熔融金属雾化成细小液滴的惰性气体
- 适用于 AM 的球形粉末，10-100 微米
- 纯度高，价格昂贵
2.等离子体雾化
- 使用等离子气体雾化熔融金属
- 颗粒形状和大小受控
- 氧气拾取量低于气体雾化
3.氢化物-脱氢（HDH）
- 将粉碎的氢化钛脱水
- 形状不规则，颗粒尺寸大
- 成本较低，杂质可能较多
技术规格
典型 钛粉 AM 的规格：
| 参数 | 规格 | 测试方法 |
|---|---|---|
| 颗粒大小 | 10 - 45 微米 | ASTM B214 |
| 表观密度 | 2.2 - 4.5 克/立方厘米 | ASTM B212 |
| 水龙头密度 | 3.5 - 5.5 克/立方厘米 | ASTM B527 |
| 流量 | 25 - 35 秒/50 克 | ASTM B213 |
| 氧气含量 | < 0.20% | 惰性气体聚变 |
| 氮含量 | < 0.05% | 惰性气体聚变 |
| 氢含量 | < 0.015% | 惰性气体聚变 |
| 形态学 | 球形 | 扫描电子显微镜成像 |
控制颗粒大小分布、形状、化学性质和密度至关重要。
钛粉的处理和储存
需要特殊处理，以防止氧化和受潮：
- 使用不锈钢容器和转移容器
- 只能在惰性气体手套箱中处理粉末
- 使用高纯度氩气
- 避免直接接触空气和水
- 将所有材料处理设备接地
- 保持 -10°C 至 30°C 的存储温度
- 打印机闲置时冻结粉末床，防止吸氧
适当的储存可大大延长钛粉的重复使用寿命。
粉末筛分
筛分用于获得一致的粒度分布：
益处
- 分解团块
- 清除卫星微粒
- 降低出现缺陷的可能性
- 改善粉末流动和包装
程序
- 用 20 微米左右的细网筛粉
- 使用旋转筛分或振动筛分
- 在惰性覆盖气体下进行
- 记录剩余粉末重量百分比
高质量的起始粉末与筛分相结合，可最大限度地减少最终部件的缺陷。
供应商和定价
| 供应商 | 年级 | 价格范围 |
|---|---|---|
| AP&C | Ti64、Ti64 ELI、Ti5553 | $150 - $450/kg |
| 木匠添加剂 | Ti64、Ti5553、Ti64 ELI | $200 - $500/kg |
| TLS 技术 | Ti64、Ti4522、Ti54M | $250 - $600/kg |
| 泰克纳 | Ti64、Ti64 ELI、Ti45Nb | $180 - $480/kg |
- 1 级和 2 级非合金粉成本约为 $150-250/kg
- Ti-6Al-4V 和 Ti-6Al-7Nb 的成本约为 $250-450/kg
- 特殊合金成本 $500-650/公斤
价格取决于订单量、质量水平、微观结构和形态。
打印机安装和调试
安装钛 AM 打印机需要
- 彻底清洁和泄漏检查
- 检查氩气系统的纯度
- 装载和测试粉末处理系统
- 校准和调平构建板
- 集成冷却器、气体供应、筛分站
- 工艺参数编程
- 印刷测试部件以验证质量
供应商提供安装支持，以确保理想的机器设置。
印刷最佳实践
打印机操作：
- 保持高纯度氩气水平
- 仔细监测熔池和热行为
- 验证所有关键尺寸
- 定期更换过滤器和消耗品
- 监测粉末的再利用水平
人员安全：
- 处理粉末时使用呼吸器等个人防护设备
- 避免接触细钛粉末
- 妥善处理用过的钛粉
部分后期处理：
- 小心拆除易损部件上的支架
- 根据合金和应用进行热处理
- 热等静压提高密度
- 数控加工和必要的精加工步骤
遵循供应商推荐的程序是实现钛合金无缺陷印刷部件的关键。
维护和检查
需要定期维护活动：
每天：
- 检查光学器件有无损坏和沉积物
- 监测氩气含量和氧气传感器
- 检查粉末处理系统的密封件和传感器
- 清洁构建室和筛网 粉末残留物
每周
- 校准仪器和传感器
- 润滑和检查活动部件
- 检查电气端子和接地
每月：
- 对氩气系统进行泄漏测试
- 检查安全装置和警报器
- 检查过滤器状态，必要时更换
- 监控整体系统健康状况
年度
- 安排预防性维护
- 更换消耗品和光学器件
- 硬件检查和升级
主动维护可提高设备的可靠性和使用寿命。
选择钛印刷系统
钛合金 3D 打印系统的主要选择标准：
1.生产要求
- 要生产的零件类型
- 根据所需性能确定材料等级
- 所需产量
- 精度和表面光洁度要求
2.打印机规格
- 支持和优化合金
- 制造率、精度和重复性
- 惰性气体控制和密封
- 自动化功能
- 尺寸和容量
3.粉末处理系统
- 集成或独立
- 筛分、储存和再利用能力
- 氧气和湿度监测
- 易于操作和控制
4.遵守标准
- ASTM F2924 等行业标准
- 制造商质量认证
- 符合 CE 和 FCC 标准
5.供应商证书
- 钛 AM 的专业技术
- 本地应用工程支持
- 提供操作员培训
- 维护和服务合同
根据这些因素对各种选项进行评估，可确保选择满足生产需求的理想钛合金快速成型制造系统。
钛 AM 的优缺点
优势
- 出色的强度重量比
- 耐腐蚀、生物相容性
- 减少部件，提高性能
- 复杂几何形状的快速周转
- 定制设计和批量生产
- 与机加工相比，可减少废料
- 将组件合并为一个部件
缺点
- 材料和机器成本高
- 其他后期处理步骤
- 对最大部件尺寸的限制
- 控制内部缺陷可能具有挑战性
- 材料特性可能与锻造不同
- 所需专业知识
钛 AM 问题的故障排除
| 问题 | 可能的原因 | 纠正措施 |
|---|---|---|
| 孔隙率 | 低纯度氩气环境 | 确保氩气纯度高于 99.99% |
| 粉末质量差 | 使用优质粉末并结合筛分 | |
| 工艺参数不正确 | 优化功率、速度、舱口间距等参数 | |
| 裂缝 | 高残余应力 | 优化热管理，使用预热装置 |
| 脆性微观结构 | 调整扫描策略，使用 HIP | |
| 污染 | 改进粉末处理，确保高氩纯度 | |
| 表面处理 | 熔池控制不佳 | 调整焦点偏移、图层厚度和功率 |
| 受污染的粉末 | 使用过筛的新鲜钛粉 | |
| 失真 | 加热不均匀 | 优化扫描模式，使用支持结构 |
常见问题
问：如何安全处理活性钛粉末？
答：使用惰性气体手套箱和料斗，避免接触空气，并在印刷过程中保持适当的氩气含量。
问：钛 AM 粉的粒度是多少？
答：通常为 10-45 微米，20-45 微米的分布控制较严。
问：使用了哪些后处理方法？
答：去除支撑、热处理、热等静压和精加工/抛光。
问：哪些污染物会影响钛粉的重复使用？
答：氧气、氮气、氢气和碳的拾取会缩短再利用寿命。需要严格的处理程序。
问：钛粉可以重复使用多少次？
答：通常为 20-100 次打印，具体取决于合金、处理和储存。23 级钛比 5 级钛的重复利用率更高。
问：钛 AM 零件的热处理温度是多少？
答：溶液处理温度比贝塔晶体温度低 50-100°C，然后进行老化和空气/炉子冷却。
问：哪些标准适用于钛 AM 粉？
答：ASTM B801、ASTM F2924、ASTM F3001、ISO 23304（正在制定中）。
问：为什么要使用热等静压？
答：HIP 有助于封闭内部空隙，提高密度，改善机械性能。
结论
钛粉可以利用 SLM 和 EBM 等 AM 技术打印出高强度、轻质的钛部件，用于先进的航空航天、医疗、汽车和工业应用。凭借优于传统钛的特性，可以快速高效地制造出复杂的几何形状。然而，要获得无缺陷的结果，反应性粉末处理、受控工艺参数、训练有素的操作人员和零件鉴定程序是必不可少的。随着专业技术的进一步发展，使用钛粉末的 AM 技术可以提供前所未有的能力，在更短的交货时间内制造出定制的高性能钛零件。