用于增材制造的钛粉

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：

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

• 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

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。

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