Titan-Pulver sind fein verteilte metallische Titanpartikel, die aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften wie hohes Festigkeits-/Gewichtsverhältnis, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Dieser Leitfaden bietet einen detaillierten Überblick über die verschiedenen Arten von Titanpulvern, ihre Zusammensetzung, Eigenschaften, Herstellungsverfahren, Anwendungen und Lieferanten.
Überblick über Titanium Powders
Titanpulver gibt es in verschiedenen Reinheitsgraden, Partikelgrößen und Morphologien für den Einsatz in unterschiedlichen Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Chemie, der Medizin, dem Militär und anderen Branchen.
Hauptmerkmale, die Titanpulver nützlich machen:
- Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht
- Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit
- Geringe Dichte im Vergleich zu anderen metallischen Werkstoffen
- Biokompatibilität und Nicht-Toxizität
- Fähigkeit, extremen Temperaturen standzuhalten
- Hohe chemische Stabilität in verschiedenen Umgebungen
- Vielseitige Herstellungs- und Verarbeitungsmöglichkeiten
Mit der fortschreitenden Technologie werden Titanpulver mit besser kontrollierten Partikeleigenschaften hergestellt, um den Anforderungen der Anwendungen gerecht zu werden.
Arten von Titan-Pulver
Titanpulver können nach Zusammensetzung, Herstellungsverfahren, Partikelmorphologie, Partikelgrößenverteilung und anderen Parametern kategorisiert werden:
Titan-Pulver Zusammensetzung
| Typ | Reinheit | Wesentliche Elemente |
|---|---|---|
| Kommerzielles Reintitan | 99,5-99,9% Ti | Fe, C, N, O |
| Ti-6Al-4V-Legierung | 90% Ti, 6% Al, 4% V | Al, V |
| Ti-3Al-2,5V-Legierung | 97% Ti, 3% Al, 2,5% V | Al, V |
- Kommerziell reines Titan hat eine höhere Korrosionsbeständigkeit. Titanlegierungen bieten eine höhere Festigkeit.
- Andere Legierungselemente wie Molybdän, Zirkonium, Zinn, Silizium, Kupfer und Chrom können je nach den gewünschten Eigenschaften ebenfalls vorhanden sein.
Verfahren zur Herstellung von Titanium-Pulver
| Methode | Einzelheiten | Eigenschaften der Partikel |
|---|---|---|
| Hydrid-Dehydrid (HDH) | Ti-Schwamm reagierte mit H2, dann zersetzte er sich | Unregelmäßige Morphologie, breite Größenverteilung |
| Gaszerstäubung | Geschmolzenes Ti wird durch N2/Ar-Strahlen zersetzt | Sphärische, kontrollierte Größenverteilung |
| Plasma-Zerstäubung | Höhere Energie als bei der Gaszerstäubung | Sphärische, feine Partikel |
| Elektroden-Induktions-Schmelzgaszerstäubung (EIGA) | Kombiniert induktives Schädelschmelzen mit Gaszerstäubung | Sphärischer, kontrollierter Sauerstoffgehalt |
- Gaszerstäubte Pulver haben eher kugelförmige Partikel, die ideal für die additive Fertigung sind, während HDH-Pulver unregelmäßig sind.
- Mit plasmagestäubten Pulvern können feinere Partikel unter 15 Mikron erzeugt werden.
Morphologie der Titanpulverpartikel
| Typ | Form | Oberflächenbeschaffenheit |
|---|---|---|
| Unregelmäßig | Nicht-sphärische Zufallsformen | Raue Oberflächen |
| Granulat | Abgerundet mit sichtbaren Facetten | Glatt mit einigen Grübchen |
| Sphärisch | Insgesamt sehr rund | Sehr glatt |
- Die Partikelform beeinflusst den Pulverfluss, die Packungsdichte und die Gleichmäßigkeit der Schichten in AM-Prozessen.
- Glattere, kugelförmige Pulver bieten eine bessere Leistung in den meisten Metall-AM-Systemen.
Titanpulver Partikelgrößenverteilung
Titanpulver, die für AM-Prozesse wie Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) und Directed Energy Deposition (DED) geeignet sind, haben Partikelgrößenverteilungen zwischen:
- 15-45 Mikrometer
- 45-150 Mikrometer
Feinere Pulver von 15-45 Mikron ermöglichen eine höhere Auflösung, während gröbere Pulver von 45-150 Mikron die eingeschlossenen Gase minimieren und die Fließfähigkeit verbessern.
Eigenschaften von Titanpulvern
Die wichtigsten Eigenschaften von Titanpulvern sind:
Tabelle: Eigenschaften des Titanpulvers
| Eigentum | Einzelheiten |
|---|---|
| Dichte | 4,5 g/cm³ |
| Schmelzpunkt | 1668°C |
| Wärmeleitfähigkeit | Niedrig, 6,7 W/mK |
| Elektrische Leitfähigkeit | Niedrig, 0,4 MS/m |
| Chemische Reaktivität | Bildet an der Luft eine stabile Oxidschicht |
| Mechanische Festigkeit | Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht |
| Korrosionsbeständigkeit | Beständig gegen eine Vielzahl von Säuren, Chloriden und anderen Chemikalien |
| bei erhöhter Temperatur | |
| Biokompatibilität | Ausgezeichnet, ungiftig, nicht allergen |
- Die Oxidschicht macht Titan korrosionsbeständig und sorgt für Bio-Inertheit.
- Titan hat nach Beryllium das beste Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht unter den Metallen.
- Durch das Legieren werden die mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen erheblich verbessert.
Herstellungsverfahren für Titanpulver
Zu den gängigen Verfahren zur Herstellung von Titanpulvern gehören:
Tabelle: Herstellungsverfahren für Titanpulver
| Methode | Arbeitsprinzip | Eigenschaften der Partikel |
|---|---|---|
| Hydrid-Dehydrid (HDH) | Ti-Schwamm wird mit H2 zu sprödem TiH2 umgesetzt, das zerkleinert und zu Pulver zersetzt wird | Unregelmäßige Formen, breite Größenverteilung |
| Gaszerstäubung | Hochgeschwindigkeits-Inertgasstrahlen zerlegen den geschmolzenen Titanstrom in Tröpfchen, die sich zu Pulver verfestigen | Sphärische Partikel, kontrollierte Größenverteilung |
| Plasma-Zerstäubung | Ähnlich wie bei der Gaszerstäubung, jedoch wird ein Plasmalichtbogen mit höherer Energie verwendet | Feinere kugelförmige Partikel, Satellitengebilde |
| Elektroden-Induktionsgaszerstäubung (EIGA) | Kombiniert Induktionsschmelzen im kalten Kupfertiegel mit Gaszerstäubung | Feinere Partikel, geringere Sauerstoffaufnahme |
Durch zusätzliche Schritte wie Sieben, Desoxygenierung oder Konsolidierung können Pulver für bestimmte Anwendungen weiter modifiziert werden.
Anwendungen von Titan-Pulver
Wichtige Anwendungen, die die Eigenschaften von Titanpulver nutzen:
Tabelle: Anwendungen von Titan-Pulver
| Industrie | Anmeldung | Vorteile |
|---|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Schmieden, Gießen von Triebwerksteilen; AM von Flugzeugzellen, Turbinenkomponenten | Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht |
| Chemisch | Ausrüstung wie Wärmetauscher, Tanks, Rohre | Korrosionsbeständigkeit |
| Automobilindustrie | Ventile, Pleuelstangen, Aufhängungen | Leicht, langlebig |
| Biomedizinische | Implantate, Prothesen, Geräte | Biokompatibilität, Osseointegration |
| Militär | Ballistische Panzerplatten, Fahrzeuge | Hohe Festigkeit, geringe Dichte |
| Additive Fertigung | L-PBF von Ti-6Al-4V-Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie | Wirtschaftliche Produktion von komplexen, leichten Teilen |
- Die Biokompatibilität ermöglicht die Integration von Titanimplantaten mit minimaler Entzündungsreaktion.
- Die Möglichkeit, komplizierte Titanbauteile in 3D zu drucken, erweitert die Produktionsflexibilität.
Insbesondere die Titanlegierung Ti-6Al-4V dominiert in der Luftfahrt, bei medizinischen Implantaten und bei Metall-AM-Anwendungen aufgrund ihrer Festigkeit, Verarbeitbarkeit und Korrosionsbeständigkeit in Verbindung mit ihrer kommerziellen Verfügbarkeit.
Titanpulver Spezifikationen
Industrielle Titanpulver für AM- und andere Anwendungen müssen den Spezifikationen für Zusammensetzung, Partikelgrößenverteilung, Morphologie, Fließeigenschaften, Verunreinigungsgrad und andere Parameter entsprechen.
Tabelle: Spezifikationen für Titan-Pulver
| Parameter | Typische Spezifikation | Prüfverfahren |
|---|---|---|
| Partikelgröße | 15-45 μm; 45-150 μm | Laserbeugung, Sieb |
| Partikelform | Bildseitenverhältnis unter 3 | Mikroskopie |
| Scheinbare Dichte | Über 2,5 g/cc | Hall-Durchflussmesser |
| Dichte des Gewindebohrers | Bis zu 4 g/cc | ASTM B527 |
| Durchflussmenge | 25–35 Sek./50 g | Hall-Durchflussmesser |
| Sauerstoffgehalt | Weniger als 0,2 wt% | Inertgasfusion |
| Stickstoffgehalt | Weniger als 0,05 wt% | Inertgasfusion |
| Wasserstoffgehalt | Weniger als 0,0125 wt% | Inertgasfusion |
Die Einhaltung von Qualitätsmaßstäben für Pulver gewährleistet Konsistenz, Zuverlässigkeit und Leistung in der AM-Produktion.
Lieferanten von Titanium-Pulver
Zu den weltweit wichtigsten Herstellern und Lieferanten von Titanpulver gehören:
Tabelle: Titan-Pulver-Lieferanten
| Unternehmen | Pulversorten | Produktionsmethoden |
|---|---|---|
| AP&C | Ti-6Al-4V, Ti-64 ELI, Ti Grad 2 | Plasma-Zerstäubung |
| TLS Technik | Ti-6Al-4V, Ti Grade 2, Ti Grade 5 | Gaszerstäubung |
| Praxair (T.I.P.) | CP Ti, Ti-6Al-4V | Mehrere |
| SLMP Mallory | CP Ti, Ti-6Al-4V | HDH, Gaszerstäubung |
| Zimmerer-Zusatzstoff | Ti-6Al-4V | Gaszerstäubung |
| Sandvik | Mehrere Ti-Legierungen | Plasma-Zerstäubung |
| LPW-Technologie | CP Ti, Ti-Legierungen | Plasma-Zerstäubung |
Die Preise variieren von $50/kg für unregelmäßiges Pulver bis zu über $1000/kg für hochgradig kugelförmige plasmagestäubte Materialien, die in anspruchsvollen Anwendungen wie Komponenten für die Luft- und Raumfahrt verwendet werden.
Vergleich von Titanpulvern
Tabelle: Vergleich der Titanpulverarten
| Parameter | HDH-Pulver | Zerstäubtes Gas | Plasma zerstäubt |
|---|---|---|---|
| Partikelform | Unregelmäßig | Abgerundet | Hochgradig kugelförmig |
| Größenbereich (μm) | 50-250 | 15-150 | 5-45 |
| Produktionskosten | Niedrig | Mäßig | Hoch |
| Sauerstoffgehalt | Höher | Unter | Niedrigste |
| Verwendet | Pressen und Sintern | Metall-Spritzgießen, heißisostatisches Pressen | AM (DED, L-PBF) |
HDH-Pulver sind preiswerter, aber die unregelmäßigen Partikel beschränken den Einsatz auf Press- und Sintertechnologien, während plasmagestäubtes Pulver trotz hoher Kosten hervorragende Fließ- und Schmelzeigenschaften für anspruchsvolle additive Fertigung bietet. Gasverdüstes Pulver bietet ein gutes Gleichgewicht für die meisten Anwendungen.
Vorteile und Beschränkungen von Titan-Pulver
Tabelle: Vorteile und Beschränkungen von Titanpulvern
| Vorteile | Beschränkungen |
|---|---|
| Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht | Teuer im Vergleich zu Stahl |
| Behält seine Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen bei | Erfordert die Verarbeitung unter kontrollierter Atmosphäre |
| Beständig gegen eine breite Palette von Chemikalien | Geringe Wärmeleitfähigkeit |
| Vollständig recycelbar | Anfällig für Verunreinigungen wie Sauerstoffaufnahme |
| Nicht-magnetisch und funkenfrei | Schwer bearbeitbar in bestimmten Legierungsformen |
| Leicht zu komplexen Formen zu verarbeiten | Begrenzte Lieferantenbasis insbesondere für hochwertiges Pulver |
Aufgrund seiner Vorzüge eignet sich Titan für spezielle Anwendungen, obwohl es Nachteile wie hohe Kosten und die Anfälligkeit für Verunreinigungen bei der Wiederverwendung oder beim Recycling aufweist.
Häufig gestellte Fragen
1. Warum ist ein hoher Reinheitsgrad bei Titanpulvern für medizinische oder Luft- und Raumfahrtanwendungen wichtig?
Ein hoher Reinheitsgrad minimiert nachteilige biologische Reaktionen und gewährleistet eine zuverlässige Leistung unter anspruchsvollen Einsatzbedingungen über eine jahrzehntelange Produktlebensdauer hinweg. Spurenelemente können sich negativ auf die mechanischen Eigenschaften oder die Korrosionsbeständigkeit auswirken.
2. Was ist der Vorteil von sphäroidischen Titanpulvern für AM?
Sphärische Pulver mit glatter Oberflächenstruktur bieten eine hervorragende Fließfähigkeit, Verteilbarkeit, Packungsdichte und Schichtgleichmäßigkeit bei Laser- oder E-Beam-Schmelzprozessen, was zu qualitativ hochwertigeren 3D-gedruckten Komponenten führt.
3. Welche Methode zur Herstellung von Titanpulver ergibt die feinsten Partikelgrößen?
Bei der Plasmazerstäubung von Titan können aufgrund des höheren Energieeintrags extrem feine Partikel im Bereich von 5-15 Mikrometern erzeugt werden, was eine AM-Bearbeitung mit sehr hoher Auflösung ermöglicht. Die Produktivität ist jedoch geringer als bei der Gaszerstäubung.
4. Warum ist die Gasverdüsung die beliebteste Methode zur Herstellung von Titanpulver?
Gasverdüste Pulver bieten ein gutes Gleichgewicht zwischen Partikelgrößenverteilung, sphärischer Morphologie, Schüttdichte und mäßiger Sauerstoffaufnahme während der Produktion zu angemessenen Kosten. Dies ermöglicht eine große Flexibilität bei der Erfüllung von Spezifikationen für Pressen, AM, thermisches Spritzen oder andere pulvermetallurgische Technologien.
5. Was versteht man unter "Satellitenpartikeln" in plasmagestäubtem Titanpulver?
Satelliten sind sehr feine, unterdimensionierte Partikel, die während der schnellen Erstarrung an der Oberfläche von gröberen Partikeln haften. Diese Satelliten können in Schichten eingeschlossen werden, was sich negativ auf die Konsolidierung und Dichte auswirkt.
Zusammenfassung
Mit ihrer hohen Festigkeit, geringen Dichte, Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität dienen Titanpulver kritischen Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Medizin, der Automobilindustrie, der Chemie und dem Militär.
Moderne Gas-, Plasma- und Induktionsschmelzzerstäubungsmethoden können Titanpulver mit maßgeschneiderten Partikeleigenschaften herstellen, um die Leistung in Pulverbett-AM-Prozessen sowie beim Metall-Spritzgießen, Pressen und Sintern, thermischen Spritzen usw. zu maximieren.
Führende Titanpulverhersteller bieten verschiedene Qualitäten an, darunter kommerziell reines Titan sowie Arbeitslegierungen wie Ti-6Al-4V, die wichtige Benchmarks für Größenverteilung, Form und Reinheit erfüllen.
Trotz höherer Kosten im Vergleich zu Stahl bieten Titanpulver die erforderliche Kombination mechanischer und chemischer Eigenschaften, die den Einsatz in einsatzkritischen rotierenden Teilen, Panzerschutzsystemen, biomedizinischen Implantaten und 3D-gedruckten Komponenten rechtfertigen, bei denen Leistung, Lebensdauer und Zuverlässigkeit entscheidend sind.
Die kontinuierliche Forschung und Entwicklung in den Bereichen Pulverherstellung, Nachbearbeitung, Legierungsentwicklung und Qualifizierung zielt darauf ab, den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt, im Verteidigungsbereich, im Motorsport und in der Medizin zu erweitern, wo die Fähigkeiten von Titan die nächste Generation von Transport- und Gesundheitstechnologien ermöglichen können.
