Titan Ti6Al4V ELI-Pulver

Titan Ti6Al4V ELI-Pulver hat sich eine Nische erobert, die hochleistungsfĂ€hige, additiv gefertigte Teile fĂŒr die Luft- und Raumfahrt, die Medizintechnik, die Automobilindustrie und Spezialanwendungen ermöglicht. Seine maßgeschneiderte Zusammensetzung minimiert schĂ€dliche Verunreinigungen, wĂ€hrend die Vorteile der Titanlegierung in Bezug auf Festigkeit, Bruchfestigkeit und BiokompatibilitĂ€t erhalten bleiben.

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InhaltsĂŒbersicht

Übersicht

Titan Ti6Al4V ELI-Pulver ist eine hochleistungsfÀhige 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 enthĂ€lt. Dies fĂŒhrt zu einer verbesserten DuktilitĂ€t, BruchzĂ€higkeit, ErmĂŒdungsfestigkeit und Hochtemperatur-KriechbestĂ€ndigkeit.

Als Ausgangsmaterial fĂŒr 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 OberflĂ€chenbeschaffenheit 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 AusscheidungshÀrtung bei der WÀrmebehandlung zu stÀrken.

Die ELI-Variante gewÀhrleistet eine strenge Kontrolle der interstitiellen Verunreinigungen wie O, N, C und Fe, um nachteilige Auswirkungen auf die DuktilitÀt und Bruchfestigkeit bei hohen Temperaturen zu minimieren.

Eigenschaften

Im Folgenden werden einige SchlĂŒsseleigenschaften 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%
HĂ€rte 334 HV (32 HRC)

Physikalische Eigenschaften

Eigentum Wert
Dichte 4,43 g/cm3
Schmelzpunkt 1604 - 1660°C (2920 - 3020°F)
WÀrmeleitfÀhigkeit 6,7 W/m-K
Elektrischer spezifischer Widerstand 170 - 190 ΌΩ-cm

Druckeigenschaften

Eigentum Wert
Druckverfahren Laser - PBF, EBM<br>Bogen - DED
PartikelgrĂ¶ĂŸe 15 - 45 ÎŒm
Scheinbare Dichte ≄ 2,7 g/cm3
Durchflussmenge ≄ 30 s/50 g

Servicebedingungen

Eigentum Wert
Maximale Betriebstemperatur 400 - 500°C (750 - 930°F)
KorrosionsbestÀndigkeit Insgesamt ausgezeichnet
Schweißeignung Ausgezeichnet
WÀrmebehandelbarkeit Lösung behandeln + Alter

Anwendungen

Die einzigartigen Eigenschaften von Titan Ti6Al4V ELI-Legierungspulver machen es geeignet fĂŒr:

Luft- und Raumfahrt

  • Strukturelle Halterungen, GehĂ€use, Motorkomponenten
  • Flugzeug- und Hubschrauberteile, TragflĂ€chen, RĂŒmpfe
  • Antriebssysteme fĂŒr Raumfahrzeuge, SchubdĂŒsen

Medizinisch & Zahnmedizinisch

  • OrthopĂ€dische Implantate - HĂŒft-, Knie- und WirbelsĂ€ulenfixierung
  • Zahnimplantate, Kronen, BrĂŒcken, Abutments

Automobilindustrie

  • Pleuelstangen, Ventile, TurboladerrĂ€der
  • MotorsportgerĂ€te - Motorblöcke, BremssĂ€ttel

Chemisch

  • ReaktorbehĂ€lter, WĂ€rmetauscher, Rohre, Tanks
  • Pumpen, Ventile, ReaktionstĂŒrme, WĂ€scher

Andere

  • Sportartikel - FahrrĂ€der, GolfschlĂ€ger, 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 HĂŒfte, kraniale Implantate BiokompatibilitĂ€t, Osseointegration
Automobilindustrie Pleuelstangen, BremssÀttel Leichtgewichtige, kundenspezifische Geometrien
Energie Fluidendteile, Bohrlochkopfkomponenten KorrosionsbestÀndigkeit, reduzierte Lagerhaltung

Die additive Fertigung mit Ti6Al4V ELI-Pulver wird als Möglichkeit geschÀtzt:

  • Gewichtsreduzierung - leichter als Stahl, Nickellegierungen
  • Teilekonsolidierung - weniger Verbindungselemente, SchweißnĂ€hte erforderlich
  • Maßgeschneiderte Geometrien - Topologieoptimierung
  • Weniger Abfall - minimaler Einsatz von Rohstoffen
  • Just-in-time-Produktion - reduzierte Vorlaufzeiten

Spezifikationen

Es sind Titan Ti6Al4V ELI-Pulverprodukte erhÀltlich, die den folgenden Spezifikationen entsprechen:

Standard Typ/GĂŒteklasse 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

GĂ€ngige Abmessungsstufen nach ASTM B214 sind:

Klasse PartikelgrĂ¶ĂŸe (ÎŒm) Sauerstoffgehalt (%)
-100+325 Maschen 45 - 149 0.08 - 0.13
-200 Maschen ≀ 75 ≀ 0.14
-325 Maschen ≀ 45 ≀ 0.12

FĂŒr den hochauflösenden Druck können feinere PartikelgrĂ¶ĂŸen bis zu 10 ÎŒm verfĂŒgbar sein.

Lieferanten und Preisgestaltung

Nachstehend finden Sie eine Tabelle mit mehreren weltweit fĂŒhrenden 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 fĂŒr Ti6Al4V ELI-Pulver, das der ASTM F2924 oder Ă€hnlichen, auf die AM-Verwendung zugeschnittenen Spezifikationen entspricht, liegt im Jahr 2024 bei etwa $300/kg.

Als PremiumqualitĂ€t erzielen ELI-Pulver einen Preisaufschlag von fast 100% gegenĂŒber Standard-Ti6Al4V-Pulvern (~$150-$200/kg).

Zu den Faktoren, die die Preisgestaltung beeinflussen, gehören Auftragsvolumen, PartikelgrĂ¶ĂŸenverteilung, Gehalt an Zwischengittersteinen, Morphologie, scheinbare Dichte und Fließeigenschaften.

Vergleiche

Ti6Al4V ELI vs. Ti6Al4V

  • ELI-Varianten (Extra Low Interstitial) sind reiner, duktiler, hĂ€rter und bestĂ€ndiger.
  • ELI-Sorten haben einen geringeren Sauerstoff-, Stickstoff-, Kohlenstoff- und Eisengehalt.
  • Ti6Al4V ELI kostet etwa 100% mehr als Ti6Al4V-Pulver.
  • Ansonsten sind die Eigenschaften sehr Ă€hnlich - Ti6Al4V bietet fĂŒr die meisten Anwendungen eine angemessene Leistung.
  • Branchen wie die Luft- und Raumfahrt verlangen ELI-Sorten fĂŒr kritische rotierende Teile in DĂŒsentriebwerken oder Flugzeugzellen.

Ti6Al4V ELI vs. CP Titan Grad 2

  • Ti6Al4V ELI hat eine höhere Festigkeit - mehr als 50% höhere Zugfestigkeit und Streckgrenze.
  • Es behĂ€lt die BiokompatibilitĂ€t und KorrosionsbestĂ€ndigkeit von CP-Titan bei.
  • Durch LegierungszusĂ€tze ist Ti6Al4V weniger gut verformbar, kann aber zur Verfestigung wĂ€rmebehandelt werden.
  • CP Ti Grade 2 hat eine geringere HĂ€rte und verschleißt im Betrieb schneller, ist aber preiswerter.
  • Beide sind beliebte Materialien fĂŒr orthopĂ€dische Implantate wie HĂŒft- und Knieprothesen.

Ti6Al4V ELI vs. Edelstahl 316L

  • Ti6Al4V ELI hat eine geringere Dichte - fast die HĂ€lfte der Dichte von 316L-Stahl - und ist daher leichter.
  • Dank der geringen Dichte bietet es eine 2-3fach höhere spezifische Festigkeit.
  • Stahl ist einfacher/gĂŒnstiger zu bearbeiten, aber korrosionsanfĂ€llig

Ti6Al4V ELI vs. Inconel 718

  • Inconel 718 hat eine um 50% höhere Zugfestigkeit als die geglĂŒhte Ti6Al4V ELI-Legierung.
  • Allerdings ist die Dichte von Inconel fast doppelt so hoch, was einen Großteil des Festigkeitsvorteils zunichte macht.
  • Ti6Al4V ELI behĂ€lt seine Festigkeit bei höheren Temperaturen - bis zu 300°C - besser bei.
  • Inconel 718 bietet eine OxidationsbestĂ€ndigkeit von bis zu 700°C, ist aber wesentlich schwieriger zu bearbeiten.
  • Sowohl Nickellegierungs- als auch Titanpulver werden in der Luft- und Raumfahrt fĂŒr Triebwerke und Flugzeugteile verwendet.

Ti6Al4V ELI vs. Kobalt-Chrom (CoCr)

  • Als biokompatible Metalllegierung konkurriert CoCr mit Ti6Al4V ELI bei medizinischen Implantaten wie Knie- und HĂŒftprothesen.
  • Ti6Al4V ELI weist eine idealere Kombination von Festigkeit, DuktilitĂ€t und BruchzĂ€higkeit 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 EntzĂŒndungsrisiken fĂŒhrt.
  • Ti6Al4V ELI wird bevorzugt fĂŒr orthopĂ€dische lasttragende Implantate verwendet, wĂ€hrend CoCr eher in zahnmedizinischen Anwendungen zum Einsatz kommt.

Pro und Kontra

Vorteile von Titan Ti6Al4V ELI:

  • Ausgezeichnetes VerhĂ€ltnis von StĂ€rke zu Gewicht
  • Geringe Dichte fĂŒhrt zu leichten Teilen
  • BehĂ€lt seine Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen bei
  • WiderstandsfĂ€hig 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 ErmĂŒdungsfestigkeit als Nickellegierungen
  • Geringere HĂ€rte und Verschleißfestigkeit machen Beschichtungen erforderlich
  • ReaktivitĂ€t mit Sauerstoff bei hohen Temperaturen
  • Geringere thermische und elektrische LeitfĂ€higkeit 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 fĂŒr additiv gefertigte Hochleistungsbauteile geschaffen.

Seine maßgeschneiderte Zusammensetzung minimiert schĂ€dliche Verunreinigungen, wĂ€hrend die Vorteile der Titanlegierung in Bezug auf Festigkeit, Bruchfestigkeit und BiokompatibilitĂ€t erhalten bleiben.

Die Freiheit beim Teiledesign, die schnelle Herstellung von Prototypen, die Verringerung des Abfalls und die Einsparung von LagerbestĂ€nden erweitern die MĂ€rkte fĂŒr 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 gegenĂŒber den etablierten Technologien wie Schmieden und Zerspanen werden abgebaut.

FAQs

F: Was bedeutet die ELI-Bezeichnung fĂŒr Ti6Al4V-Pulver?

A: ELI steht fĂŒr "extra low interstitial" und bedeutet eine strengere Kontrolle der O-, N-, C- und H-Verunreinigungen zur Verbesserung der DuktilitĂ€t und BruchzĂ€higkeit.

F: Ist Ti6Al4V ELI fĂŒr die Verwendung in der Medizin oder der Luft- und Raumfahrt zugelassen?

A: Ja, fĂŒhrende Normungsgremien wie ASTM F2924 und ISO 23377 erkennen die Zusammensetzung von Ti6Al4V ELI an - Freigabe fĂŒr Humanimplantate oder flugkritische Anwendungen.

F: Ist fĂŒr 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 wÀrmebehandeln und aushÀrten?

A: Ja, die Lösungsbehandlung mit anschließender Alterung ermöglicht eine AusscheidungshĂ€rtung 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 DuktilitĂ€t verschlechtert - fĂŒr kritische Anwendungen wird aufgefrischtes Pulver empfohlen.

F: Ist beim Ti6Al4V ELI-Schweißen eine Schutzgasabschirmung erforderlich?

A: Ja, die Abschirmung mit hochreinem Argon verhindert VerfÀrbung und Versprödung; es werden auch Heliummischungen verwendet.

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