Übersicht
Titan-Metallpulver ist eine feinkörnige Form von Titanmetall, das in verschiedenen Fertigungsanwendungen eingesetzt wird. Es bietet ein hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität und eignet sich daher für die Verwendung in Komponenten der Luft- und Raumfahrt, medizinischen Implantaten, Sportgeräten, Automobilteilen und mehr.
Titanpulver kann durch verschiedene Verfahren hergestellt werden, darunter die Zerstäubung von geschmolzenem Titan, die Elektrolyse von Titanverbindungen und die direkte Reduktion von Titanerzen. Die Eigenschaften und die Leistung des Pulvers hängen von der Herstellungstechnik und den Nachbehandlungen ab. Zu den entscheidenden Merkmalen, die die Qualität und Verwendbarkeit von Titanpulver bestimmen, gehören die Partikelgrößenverteilung, die Morphologie, die Fließfähigkeit des Pulvers, die Schüttdichte und der Gehalt an Verunreinigungen.
Arten von Titan-Metall-Pulver
| Typ | Produktionsverfahren | Partikelgröße | Morphologie | Scheinbare Dichte | Fließfähigkeit | Anwendungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Zerstäubt | Gas- oder Plasmazerstäubung von geschmolzenem Titan | 10 - 250 μm | kugelförmig, körnig | 2,2 - 3,8 g/cc | Gut | Additive Fertigung, MIM |
| Hydrid-Dehydrid (HDH) | Hydrierung und Dehydrierung von Titanschrott | <250 μm | Unregelmäßig, schwammig | 1 - 2,5 g/cc | Schlecht | Metall-Spritzgießen |
| Verfahren mit rotierenden Elektroden | Elektrolyse von Titanverbindungen | 5 - 150 μm | Dendritisch | 2 - 3 g/cc | Messe | Additive Fertigung |
| Aluminothermische Reduktion | Chemische Reduktion mit Aluminium | 50 - 500 μm | Unregelmäßig, porös | 1,5 - 3 g/cc | Messe | Refraktäre Metallisierung |
Zerstäubtes Titanpulver hat eine kugelförmige Morphologie mit guten Fließ- und Packungseigenschaften. Es eignet sich für anspruchsvolle Anwendungen im Bereich der additiven Fertigung und des Metall-Spritzgießens.
Hydrid-Dehydrid-Pulver hat im Vergleich zu zerstäubtem Pulver eine geringere Dichte und einen schlechteren Fluss. Es wird aufgrund seiner geringeren Kosten vorwiegend für den Metall-Spritzguss verwendet.
Pulver für rotierende Elektroden hat einzigartige dendritische Partikel, die eine hohe Sinterdichte aufweisen. Es wird in additiven Fertigungsverfahren wie dem Elektronenstrahlschmelzen verwendet.
Zusammensetzung des Titanmetallpulvers
Titanmetallpulver werden gemäß den ASTM-Normen in vier Kategorien eingeteilt, die sich auf den Sauerstoff- und Eisengehalt beziehen:
| Klasse | Sauerstoff (wt%) | Eisen (wt%) | Andere Elemente |
|---|---|---|---|
| Klasse 1 | 0.18 | 0.20 | N, C, H |
| Klasse 2 | 0.25 | 0.30 | N, C, H |
| Klasse 3 | 0.35 | 0.30 | N, C, H |
| Klasse 4 | 0.40 | 0.50 | N, C, H |
Zu den wichtigsten Legierungselementen in Titanpulver gehören:
- Aluminium (Al) - Verbessert Festigkeit und Wärmebehandelbarkeit
- Vanadium (V) - Erhöht die Festigkeit und Duktilität
- Zinn (Sn) - Verbessert die Kriechstromfestigkeit
- Zirkonium (Zr) - Verfeinert Körner
Spurenelemente wie Stickstoff, Kohlenstoff, Wasserstoff und Eisen haben ebenfalls erhebliche Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften. Um eine optimale Leistung zu erzielen, ist eine strenge Kontrolle der chemischen Zusammensetzung erforderlich.
Eigenschaften von Titanium Metal Powder
| Eigentum | Wert | Bedeutung |
|---|---|---|
| Dichte | 4,5 g/cm3 | Niedriger als bei Stahl und Nickellegierungen |
| Schmelzpunkt | 1660°C | Behält seine Festigkeit bei hohen Temperaturen |
| Stärke | 900 - 1200 MPa | Stärker als Aluminium |
| Elastizitätsmodul | 100 - 120 GPa | Niedrigerer Modul als Stahl |
| Dehnung | 15 – 25% | Gute Duktilität |
| Korrosionsbeständigkeit | Ausgezeichnet | Aufgrund der schützenden Oxidschicht |
| Biokompatibilität | Ausgezeichnet | Geeignet für medizinische Implantate |
| Wärmeleitfähigkeit | 7 - 16 W/m.K | Niedriger als Aluminium und Stahl |
Die Eigenschaften der fertigen Titanbauteile hängen von den Pulvereigenschaften und der Art der Herstellung der Teile ab. Porosität, Oberflächenbeschaffenheit, Wärmebehandlung usw. haben einen großen Einfluss.
Zu den wichtigsten Vorteilen von Titanmetall gehören hohe spezifische Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Ermüdungsfestigkeit und Biokompatibilität. Zu den Einschränkungen gehört die hohe Reaktivität bei hohen Temperaturen, die eine inerte Atmosphäre für die Handhabung und Verarbeitung des Pulvers erfordert. Titanlegierungen sind im Vergleich zu anderen Metallen schwieriger zu bearbeiten, da die geringe Wärmeleitfähigkeit zu einer lokalen Erwärmung während der Bearbeitung führt.
Anwendungen von Titan-Metall-Pulver
| Anmeldung | Beispiele | Erforderliche Pulvereigenschaften |
|---|---|---|
| Additive Fertigung | Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, orthopädische Implantate | Sphärische Morphologie, kontrollierte Partikelgrößenverteilung unter 100 μm, hohe Reinheit |
| Metall-Spritzgießen | Zahnimplantate, Befestigungselemente | Unregelmäßiges Pulver unter 25 μm, geeignet zum Mischen von Bindemitteln |
| Refraktäre Metallisierung | Titanbeschichtungen auf Metallsubstraten | Große Auswahl an Pulvergrößen von 5 μm bis 500 μm |
| Pulvermetallurgie | Pleuelstangen, Antriebswellen | Enge Kontrolle des Sauerstoff- und Stickstoffgehalts, gute Kompressibilität und Sinterfähigkeit |
| Thermische Spritzschichten | Schutzbeschichtungen für Schiffsanwendungen | Spezielles Plasmaspritzpulver mit optimierter Partikelgrößenverteilung |
| Pyrotechnik | Fackeln, Sprengstoff | Gröberes Pulver über 150 μm, geeignet für Metallbrennstoffformulierungen |
Feine Pulver unter 100 Mikron werden für die additive Fertigung bevorzugt, um eine gute Auflösung und mechanische Eigenschaften zu erzielen. Für gepresste und gesinterte Anwendungen bietet die kugelförmige Morphologie eine optimale Dichte, während unregelmäßige Partikel für Metall-Spritzguss-Rohstoffe bevorzugt werden.
Spezifikationen für Titanium Metal Powder
ASTM-Normen für verschiedene Titanpulverqualitäten:
| Standard | Beschreibung | Abgedeckte Klassenstufen |
|---|---|---|
| ASTM B849 | Norm für vorlegiertes Titanpulver für MIM | Klasse 1 bis 4 |
| ASTM B981 | Norm für Titanlegierungen für thermische Spritzschichten | Klasse 1 und 2 |
| ASTM B983 | Norm für Titanhydrid-Dehydrid-Pulver für MIM | Klasse 1 bis 4 |
Andere Spezifikationen für Titanpulver:
| Parameter | Typische Werte | Testmethoden |
|---|---|---|
| Partikelgrößenverteilung | 10 μm bis 150 μm | Laserbeugung, Siebanalyse |
| Scheinbare Dichte | 1 bis 4 g/cc | Hall-Durchflussmesser, Scott-Volumenzähler |
| Dichte des Gewindebohrers | 70 bis 80% der tatsächlichen Feststoffdichte | ASTM B527 |
| Morphologie des Pulvers | kugelförmig, körnig, schwammig, dendritisch | SEM, optische Mikroskopie |
| Durchflussmenge | 25 bis 35 s/50 g | Hall-Durchflussmesser |
| Verlust bei Zündung | 0,1 bis 2 wt% | ASTM E1019 |
| Verbleibender Wasserstoff | 100 bis 500 ppm | LECO-Schutzgasfusion |
Lieferanten von Titan-Metall-Pulver
| Anbieter | Produktionsverfahren | Pulversorte | Partikelgröße |
|---|---|---|---|
| AP&C | Plasma-Zerstäubung | Klasse 1, 2, 5 | 10 bis 45 μm |
| TLS Technik | Gaszerstäubung | Klasse 23 | 45 bis 150 μm |
| AMETEK | Rotierende Elektrode | Klasse 2 | 5 bis 63 μm |
| Puris | Hydrid-Dehydrid | Klasse 2 | Bis zu 150 μm |
Richtpreise für Titanmetallpulver:
| Klasse | Preisgestaltung ($/kg) |
|---|---|
| Klasse 1 | 50 bis 150 |
| Klasse 2 | 40 bis 100 |
| Klasse 5 | 250 bis 500 |
Für Großbestellungen über 100 kg können Mengenrabatte gewährt werden. Der tatsächliche Preis variiert je nach Menge, Qualitätsanforderungen, Vorlaufzeit usw.
Vergleich der Methoden zur Herstellung von Titanpulver
| Parameter | Gaszerstäubung | Plasma-Zerstäubung | HDH-Prozess | Rotierende Elektrode |
|---|---|---|---|---|
| Morphologie | körnig, kugelförmig | Hochgradig kugelförmig | Schwamm, unregelmäßig | Dendritisch |
| Sauerstoffaufnahme | Mäßig | Niedrig | Hoch | Niedrig |
| Durchsatz | Mäßig | Niedrig | Hoch | Mäßig |
| Kosten | Mäßig | Hoch | Niedrig | Mäßig |
| Typische Anwendungen | AM, MIM | AM, Luft- und Raumfahrt | MIM | AM |
Kein einzelnes Produktionsverfahren bietet das beste Gleichgewicht zwischen Qualität und Wirtschaftlichkeit. Die meisten Hersteller haben sich auf eine Technologie spezialisiert und bieten verschiedene Sorten für unterschiedliche Anwendungen an. Die Qualität und Wiederholbarkeit des Pulvers ist entscheidend für anspruchsvolle Anwendungen, während die Kosten ein wichtiger Faktor für Produkte in großen Mengen sind.
FAQs
F: Worin besteht der Unterschied zwischen Titanium Grade 1, 2, 3 und 4 Pulver?
A: Die Güteklassen unterscheiden sich nach dem zulässigen Sauerstoff- und Eisengehalt. Güteklasse 1 hat die niedrigsten Sauerstoffgehalte, während Güteklasse 4 höhere Verunreinigungsgrade zulässt. Niedrigere Sorten bieten bessere mechanische Eigenschaften, während höhere Sorten die Kosten senken.
F: Welche Partikelgröße von Titanpulver benötige ich für die additive Fertigung?
A: Für die meisten AM-Prozesse liegt der optimale Partikelgrößenbereich bei 10 bis 45 Mikrometern. Feinere Pulver unter 100 μm ermöglichen eine gute Auflösung und gute mechanische Eigenschaften. Allerdings kann es bei extrem feinen Partikeln unter 10 μm schwierig sein, sie während des Schichtaufbaus gleichmäßig zu verteilen. Sie sind auch anfälliger für Agglomerationsprobleme.
F: Ist Titanpulver gefährlich?
A: Titanpulver kann sich unter bestimmten Bedingungen entzünden und eine Explosionsgefahr darstellen. Feines Titanpulver, insbesondere Hydridpulver, ist hochentzündlich. Der Umgang mit Titanpulver erfordert eine Inertgasumgebung mit Argon oder Stickstoff. Die Lagerbehälter sollten ordnungsgemäß geerdet sein. Beim Umgang mit Titanpulvern müssen die Arbeitnehmer Vorsichtsmaßnahmen gegen das Einatmen von Staub und gegen Hautkontakt treffen.
F: Wie wird Titanpulver hergestellt?
A: Die vier wichtigsten Produktionsmethoden sind:
- Gaszerstäubung: Der geschmolzene Titanstrom wird in Tröpfchen gebrochen, die sich zu Pulver verfestigen
- Plasma-Zerstäubung: Die extrem hohe Hitze des Plasmas schmilzt und verfestigt Titan schnell
- HDH-Verfahren: Titanschrott wird in Wasserstoff-Absorptions- und Desorptionszyklen verarbeitet
- Rotierende Elektrode: Anodische Auflösung von Titanstäben bildet Pulver durch elektrolytische Reaktionen
Jedes Verfahren führt zu einem Pulver mit unterschiedlichen Eigenschaften, das für verschiedene Anwendungen geeignet ist.
F: Wie hoch ist der Preis von Titanpulver?
A: Titanpulver kann zwischen $40 und $500 pro kg liegen, je nach Güte, Qualität, Auftragsvolumen usw. Kugelförmiges Pulver der Güteklassen 1 und 2 ist bei kleinen Mengen mit etwa $100/kg preisgünstig. Speziallegierungen für die Luft- und Raumfahrt können bis zu $500/kg kosten. Hydrid-Dehydrid- und höherwertiges 4er-Pulver sind billigere Optionen für Industriekunden, die bei $50/kg liegen.
