Titan Ti6Al4V ELI-Pulver
Titan Ti6Al4V ELI-Pulver hat sich eine Nische erobert, die hochleistungsfähige, additiv gefertigte Teile für die Luft- und Raumfahrt, die Medizintechnik, die Automobilindustrie und Spezialanwendungen ermöglicht. Seine maßgeschneiderte Zusammensetzung minimiert schädliche Verunreinigungen, während die Vorteile der Titanlegierung in Bezug auf Festigkeit, Bruchfestigkeit und Biokompatibilität erhalten bleiben.
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Inhaltsübersicht
Übersicht
Titan Ti6Al4V ELI-Pulver ist eine hochleistungsfähige Titanlegierung, die im 3D-Druck, in der additiven Fertigung und im Metallspritzguss in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Automobilindustrie und anderen anspruchsvollen Branchen weit verbreitet ist.
Ti6Al4V ELI bezieht sich auf eine "extra niedrige interstitielle" Variante von Titan Grad 5, die im Vergleich zum Standard-Ti6Al4V geringere Mengen an Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und Eisen enthält. Dies führt zu einer verbesserten Duktilität, Bruchzähigkeit, Ermüdungsfestigkeit und Hochtemperatur-Kriechbeständigkeit.
Als Ausgangsmaterial für Metallpulver ermöglicht Ti6Al4V ELI die Herstellung komplexer Geometrien und leichter, hochfester Strukturen durch Pulverbettschmelzen und 3D-Druck mit gerichteter Energieabscheidung. Es können Teile mit feiner Oberflächenbeschaffenheit und mechanischen Eigenschaften hergestellt werden, die mit traditionell geschmiedeten oder gegossenen Ti6Al4V-Komponenten vergleichbar sind.
Im Folgenden werden wir Ti6Al4V ELI-Pulver genauer betrachten, einschließlich Zusammensetzung, Eigenschaften, Spezifikationen, Preise, Anwendungen und Vergleiche mit Alternativen wie CP-Titan und Edelstahlpulver.
Zusammensetzung
Titan Ti6Al4V ELI-Pulver hat die folgende nominelle Zusammensetzung:
| Element | Gewicht % |
|---|---|
| Aluminium (Al) | 5.5 – 6.75 |
| Vanadium (V) | 3.5 – 4.5 |
| Sauerstoff (O) | <= 0.13 |
| Stickstoff (N) | <= 0.05 |
| Kohlenstoff (C) | <= 0.08 |
| Wasserstoff (H) | <= 0.0125 |
| Eisen (Fe) | <= 0.25 |
| Titan (Ti) | Bilanz |
Die wichtigsten Legierungselemente - Aluminium und Vanadium - dienen dazu, die Titanmatrix durch Mischkristallverfestigung und Ausscheidungshärtung bei der Wärmebehandlung zu stärken.
Die ELI-Variante gewährleistet eine strenge Kontrolle der interstitiellen Verunreinigungen wie O, N, C und Fe, um nachteilige Auswirkungen auf die Duktilität und Bruchfestigkeit bei hohen Temperaturen zu minimieren.
Eigenschaften
Im Folgenden werden einige Schlüsseleigenschaften der Ti6Al4V ELI-Legierung in ihrer vorlegierten Pulverform hervorgehoben:
Mechanische Eigenschaften
| Eigentum | Wert |
|---|---|
| Zugfestigkeit | ≥ 895 MPa (130 ksi) |
| Streckgrenze | ≥ 825 MPa (120 ksi) |
| Dehnung | ≥ 10% |
| Härte | 334 HV (32 HRC) |
Physikalische Eigenschaften
| Eigentum | Wert |
|---|---|
| Dichte | 4,43 g/cm3 |
| Schmelzpunkt | 1604 - 1660°C (2920 - 3020°F) |
| Wärmeleitfähigkeit | 6,7 W/m-K |
| Elektrischer spezifischer Widerstand | 170 - 190 μΩ-cm |
Druckeigenschaften
| Eigentum | Wert |
|---|---|
| Druckverfahren | Laser - PBF, EBM<br>Bogen - DED |
| Partikelgröße | 15 - 45 μm |
| Scheinbare Dichte | ≥ 2,7 g/cm3 |
| Durchflussmenge | ≥ 30 s/50 g |
Servicebedingungen
| Eigentum | Wert |
|---|---|
| Maximale Betriebstemperatur | 400 - 500°C (750 - 930°F) |
| Korrosionsbeständigkeit | Insgesamt ausgezeichnet |
| Schweißeignung | Ausgezeichnet |
| Wärmebehandelbarkeit | Lösung behandeln + Alter |
Anwendungen
Die einzigartigen Eigenschaften von Titan Ti6Al4V ELI-Legierungspulver machen es geeignet für:
Luft- und Raumfahrt
- Strukturelle Halterungen, Gehäuse, Motorkomponenten
- Flugzeug- und Hubschrauberteile, Tragflächen, Rümpfe
- Antriebssysteme für Raumfahrzeuge, Schubdüsen
Medizinisch & Zahnmedizinisch
- Orthopädische Implantate - Hüft-, Knie- und Wirbelsäulenfixierung
- Zahnimplantate, Kronen, Brücken, Abutments
Automobilindustrie
- Pleuelstangen, Ventile, Turboladerräder
- Motorsportgeräte - Motorblöcke, Bremssättel
Chemisch
- Reaktorbehälter, Wärmetauscher, Rohre, Tanks
- Pumpen, Ventile, Reaktionstürme, Wäscher
Andere
- Sportartikel - Fahrräder, Golfschläger, Rahmen
- Verteidigung - gepanzerte Fahrzeuge, Körperpanzerplatten
- Energie - Bohrlochkopf-Komponenten, Fluid-End-Teile
Die folgende Tabelle fasst einige typische Anwendungen von Ti6Al4V ELI-Komponenten zusammen, die mit Metall-AM-Techniken hergestellt wurden:
| Industrie | Anwendungen | Vorteile |
|---|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Turbinenschaufeln, Motorhalterungen | Gewichtseinsparung, Leistung |
| Biomedizinische | Hüfte, kraniale Implantate | Biokompatibilität, Osseointegration |
| Automobilindustrie | Pleuelstangen, Bremssättel | Leichtgewichtige, kundenspezifische Geometrien |
| Energie | Fluidendteile, Bohrlochkopfkomponenten | Korrosionsbeständigkeit, reduzierte Lagerhaltung |
Die additive Fertigung mit Ti6Al4V ELI-Pulver wird als Möglichkeit geschätzt:
- Gewichtsreduzierung - leichter als Stahl, Nickellegierungen
- Teilekonsolidierung - weniger Verbindungselemente, Schweißnähte erforderlich
- Maßgeschneiderte Geometrien - Topologieoptimierung
- Weniger Abfall - minimaler Einsatz von Rohstoffen
- Just-in-time-Produktion - reduzierte Vorlaufzeiten
Spezifikationen
Es sind Titan Ti6Al4V ELI-Pulverprodukte erhältlich, die den folgenden Spezifikationen entsprechen:
| Standard | Typ/Güteklasse Bezeichnung | Zusammensetzung Grenzwerte |
|---|---|---|
| ASTM F2924 | Ti6Al4V ELI | O-, Fe-, N-, C-Grenzwerte nach ASTM F136 |
| ASTM F3001 | Klasse 23 ELI | Al, V, O, N, C Bereiche |
| ISO 23377 | Ti6Al4V ELI | O, N, C, H Grenzen |
Gängige Abmessungsstufen nach ASTM B214 sind:
| Klasse | Partikelgröße (μm) | Sauerstoffgehalt (%) |
|---|---|---|
| -100+325 Maschen | 45 - 149 | 0.08 - 0.13 |
| -200 Maschen | ≤ 75 | ≤ 0.14 |
| -325 Maschen | ≤ 45 | ≤ 0.12 |
Für den hochauflösenden Druck können feinere Partikelgrößen bis zu 10 μm verfügbar sein.
Lieferanten und Preisgestaltung
Nachstehend finden Sie eine Tabelle mit mehreren weltweit führenden Anbietern von Ti6Al4V ELI-Pulver und den typischen Preisen in USD pro Kilogramm:
| Anbieter | Preisgestaltung ($/kg) |
|---|---|
| AP&C | $275 – $325 |
| Zimmerer-Zusatzstoff | $250 – $300 |
| GKN Hoeganaes | $290 – $380 |
| Praxair | $310 – $350 |
| Sandvik Fischadler | $280 – $335 |
Der Durchschnittspreis für Ti6Al4V ELI-Pulver, das der ASTM F2924 oder ähnlichen, auf die AM-Verwendung zugeschnittenen Spezifikationen entspricht, liegt im Jahr 2024 bei etwa $300/kg.
Als Premiumqualität erzielen ELI-Pulver einen Preisaufschlag von fast 100% gegenüber Standard-Ti6Al4V-Pulvern (~$150-$200/kg).
Zu den Faktoren, die die Preisgestaltung beeinflussen, gehören Auftragsvolumen, Partikelgrößenverteilung, Gehalt an Zwischengittersteinen, Morphologie, scheinbare Dichte und Fließeigenschaften.
Vergleiche
Ti6Al4V ELI vs. Ti6Al4V
- ELI-Varianten (Extra Low Interstitial) sind reiner, duktiler, härter und beständiger.
- ELI-Sorten haben einen geringeren Sauerstoff-, Stickstoff-, Kohlenstoff- und Eisengehalt.
- Ti6Al4V ELI kostet etwa 100% mehr als Ti6Al4V-Pulver.
- Ansonsten sind die Eigenschaften sehr ähnlich - Ti6Al4V bietet für die meisten Anwendungen eine angemessene Leistung.
- Branchen wie die Luft- und Raumfahrt verlangen ELI-Sorten für kritische rotierende Teile in Düsentriebwerken oder Flugzeugzellen.
Ti6Al4V ELI vs. CP Titan Grad 2
- Ti6Al4V ELI hat eine höhere Festigkeit - mehr als 50% höhere Zugfestigkeit und Streckgrenze.
- Es behält die Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit von CP-Titan bei.
- Durch Legierungszusätze ist Ti6Al4V weniger gut verformbar, kann aber zur Verfestigung wärmebehandelt werden.
- CP Ti Grade 2 hat eine geringere Härte und verschleißt im Betrieb schneller, ist aber preiswerter.
- Beide sind beliebte Materialien für orthopädische Implantate wie Hüft- und Knieprothesen.
Ti6Al4V ELI vs. Edelstahl 316L
- Ti6Al4V ELI hat eine geringere Dichte - fast die Hälfte der Dichte von 316L-Stahl - und ist daher leichter.
- Dank der geringen Dichte bietet es eine 2-3fach höhere spezifische Festigkeit.
- Stahl ist einfacher/günstiger zu bearbeiten, aber korrosionsanfällig
Ti6Al4V ELI vs. Inconel 718
- Inconel 718 hat eine um 50% höhere Zugfestigkeit als die geglühte Ti6Al4V ELI-Legierung.
- Allerdings ist die Dichte von Inconel fast doppelt so hoch, was einen Großteil des Festigkeitsvorteils zunichte macht.
- Ti6Al4V ELI behält seine Festigkeit bei höheren Temperaturen - bis zu 300°C - besser bei.
- Inconel 718 bietet eine Oxidationsbeständigkeit von bis zu 700°C, ist aber wesentlich schwieriger zu bearbeiten.
- Sowohl Nickellegierungs- als auch Titanpulver werden in der Luft- und Raumfahrt für Triebwerke und Flugzeugteile verwendet.
Ti6Al4V ELI vs. Kobalt-Chrom (CoCr)
- Als biokompatible Metalllegierung konkurriert CoCr mit Ti6Al4V ELI bei medizinischen Implantaten wie Knie- und Hüftprothesen.
- Ti6Al4V ELI weist eine idealere Kombination von Festigkeit, Duktilität und Bruchzähigkeit auf.
- Es fördert eine bessere Osseointegration und ein besseres Knochenwachstum im Laufe der Zeit.
- Bei CoCr-Legierungen kann es zu Problemen mit der Auslaugung von Metallionen kommen, was zu Entzündungsrisiken führt.
- Ti6Al4V ELI wird bevorzugt für orthopädische lasttragende Implantate verwendet, während CoCr eher in zahnmedizinischen Anwendungen zum Einsatz kommt.
Pro und Kontra
Vorteile von Titan Ti6Al4V ELI:
- Ausgezeichnetes Verhältnis von Stärke zu Gewicht
- Geringe Dichte führt zu leichten Teilen
- Behält seine Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen bei
- Widerstandsfähig gegen Korrosion in rauen Umgebungen
- Bioinert - verhindert die Abstoßung durch menschliches Körpergewebe
- Pulverförmiges Ausgangsmaterial ermöglicht komplexe, optimierte Formen mit AM
- Breite Palette von Anwendungen in verschiedenen Branchen
Benachteiligungen:
- Teurer als Stahl- oder Aluminiumpulver
- Geringere Zug- und Ermüdungsfestigkeit als Nickellegierungen
- Geringere Härte und Verschleißfestigkeit machen Beschichtungen erforderlich
- Reaktivität mit Sauerstoff bei hohen Temperaturen
- Geringere thermische und elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zu anderen Metallen
Schlussfolgerung
Titan Ti6Al4V ELI-Pulver hat sich in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizintechnik, in der Automobilindustrie und bei Spezialanwendungen eine Nische für additiv gefertigte Hochleistungsbauteile geschaffen.
Seine maßgeschneiderte Zusammensetzung minimiert schädliche Verunreinigungen, während die Vorteile der Titanlegierung in Bezug auf Festigkeit, Bruchfestigkeit und Biokompatibilität erhalten bleiben.
Die Freiheit beim Teiledesign, die schnelle Herstellung von Prototypen, die Verringerung des Abfalls und die Einsparung von Lagerbeständen erweitern die Märkte für Ti6Al4V ELI weiter.
Mit zunehmender Reife der Metall-AM ist zu erwarten, dass sie nicht nur in der Luft- und Raumfahrt, sondern auch bei Implantaten, Motorsportkomponenten und Fluid-Handling-Hardware zum Einsatz kommen wird - vorausgesetzt, die Kostenbarrieren gegenüber den etablierten Technologien wie Schmieden und Zerspanen werden abgebaut.
FAQs
F: Was bedeutet die ELI-Bezeichnung für Ti6Al4V-Pulver?
A: ELI steht für "extra low interstitial" und bedeutet eine strengere Kontrolle der O-, N-, C- und H-Verunreinigungen zur Verbesserung der Duktilität und Bruchzähigkeit.
F: Ist Ti6Al4V ELI für die Verwendung in der Medizin oder der Luft- und Raumfahrt zugelassen?
A: Ja, führende Normungsgremien wie ASTM F2924 und ISO 23377 erkennen die Zusammensetzung von Ti6Al4V ELI an - Freigabe für Humanimplantate oder flugkritische Anwendungen.
F: Ist für Ti6Al4V ELI-Pulver eine Nachbearbeitung durch heißisostatisches Pressen (HIP) erforderlich?
A: Nicht unbedingt - die heutigen AM-Maschinen können dichte Ti6Al4V-Strukturen mit einer Dichte von >99% liefern, die ohne HIP mit den Eigenschaften von Guss- und Knetwerkstoffen mithalten können.
F: Können Sie 3D-gedruckte Ti6Al4V ELI-Teile wärmebehandeln und aushärten?
A: Ja, die Lösungsbehandlung mit anschließender Alterung ermöglicht eine Ausscheidungshärtung auf 60+ HRC, wodurch eine Zugfestigkeit von 1.200+ MPa erreicht wird.
F: Wie wirkt sich die Wiederverwendung von Ti6Al4V ELI-Pulver auf die Eigenschaften der gedruckten Teile aus?
A: Bei wiederverwendetem Pulver kann es zu einer erhöhten Sauerstoffaufnahme kommen, die die Duktilität verschlechtert - für kritische Anwendungen wird aufgefrischtes Pulver empfohlen.
F: Ist beim Ti6Al4V ELI-Schweißen eine Schutzgasabschirmung erforderlich?
A: Ja, die Abschirmung mit hochreinem Argon verhindert Verfärbung und Versprödung; es werden auch Heliummischungen verwendet.
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