Обзор молибден-титановых порошков
молибден-титановые порошки относятся к мелким металлическим частицам каждого элемента, получаемым в процессе распыления. Они обладают высокой прочностью, твердостью и жаростойкостью.
Порошки используются по отдельности или в виде смесей для производства высокоэффективных сплавов. Контролируемое распределение частиц по размерам позволяет собирать из слоев сложные компоненты почти сетчатой формы в процессе 3D-печати металлов.
Некоторые ключевые характеристики порошков молибдена и титана:
Молибденовый порошок
- Отличное сопротивление ползучести и стабильность при высоких температурах
- Низкий коэффициент теплового расширения
- Высокая твердость и износостойкость
- Используется в качестве легирующей добавки для усиления сталей и суперсплавов
Титановый порошок
- Чрезвычайно прочный и в то же время легкий конструкционный металл
- Отличная коррозионная стойкость
- Биосовместимость для медицинских имплантатов
- Реактивный и требует контролируемой обработки
Смешанные/легированные порошки
- Сочетание полезных свойств каждого элемента
- Обеспечивает индивидуальные характеристики материала
- Требуются оптимизированные параметры 3D-печати
Манипулируя составами с помощью AM, можно создавать инновационные сплавы с превосходными свойствами, подходящими для работы в экстремальных условиях.
Типы молибденовых и титановых порошков
Молибденовые и титановые порошки коммерчески доступны в различных видах для аддитивного производства металлов:
| Порошковый вариант | Характеристики | Типичное использование |
|---|---|---|
| Молибден | Чистые и легированные сорта | AM молибденовых сплавов, катализаторов |
| Титан Ti-6Al-4V | Аэрокосмический сплав | Несущие аэроконструкции |
| Титан Ti-6Al-7Nb | Биосовместимый альфа-бета сплав | Медицинские имплантаты, протезы |
| Элементарные смеси Mo-Ti | Нестандартные составы сплавов | Передовые инженерные приложения |
| Основные сплавы Mo-Ti | Предварительно легированные смеси | Упрощенная обработка AM |
В своей элементарной форме молибден обеспечивает высокотемпературную твердость, а титан - прочность и коррозионную стойкость. Комбинируя оба компонента с помощью технологии AM, можно создавать инновационные сплавы с улучшенными общими характеристиками.
Состав/Легирование
Молибденовые и титановые порошки имеют следующие номинальные составы:
Молибденовый порошок
| Элемент | Композиционный ряд |
|---|---|
| Молибден (Mo) | 99% и выше |
| Кислород (O) | 0,01% макс. |
| Углерод (C) | 0,01% макс. |
| Железо (Fe) | 0,01% макс. |
| Другие металлы | 0,01% макс. |
Высокая чистота необходима для воспроизводимости результатов в процессе АМ и последующей обработки. Загрязнения могут негативно повлиять на свойства материала.
Титан Ti-6Al-4V
| Элемент | Вес % |
|---|---|
| Титан (Ti) | Баланс |
| Алюминий (Al) | 5.5-6.75 |
| Ванадий (V) | 3.5-4.5 |
| Железо (Fe) | < 0.3 |
| Кислород (O) | <0.2 |
| Другие металлы | <0.1 |
Небольшое количество легирующих добавок алюминия и ванадия значительно повышает прочность титана для создания несущих легких конструкций.
Для смешанных порошков Mo-Ti относительное соотношение может варьироваться от 100% Mo до 100% Ti для создания индивидуальных сплавов. Неограниченная свобода выбора состава при использовании как элементарных, так и предварительно легированных смешанных порошков позволяет разрабатывать до сих пор неизученные сплавы с помощью АМ.
Свойства молибден-титановые порошки
Молибденовый порошок
| Физические свойства | |
|---|---|
| Плотность | 10,22 г/см3 |
| Температура плавления | 2610°C |
| Теплопроводность | 138 Вт/мК |
| Электрическое сопротивление | 5,5 мкΩ-см |
| Коэффициент теплового расширения | 5,3 мкм/м-°C |
| Механические свойства | |
|---|---|
| Твердость | ~300 HV |
| Предельная прочность на разрыв | 600-800 МПа |
| Предел текучести (смещение 0,2%) | 500+ МПа |
| Удлинение | 30-50% |
| Модуль упругости | 325 ГПа |
Молибденовый порошок позволяет изготавливать чрезвычайно твердые и жаропрочные сплавы с помощью методов AM. Детали сохраняют высокую прочность в условиях окислительного, коррозионного и фрикционного износа при повышенных температурах, превышающих 1000°C.
Титан Ti-6Al-4V порошок
| Физические свойства | Значения |
|---|---|
| Плотность | 4,43 г/см3 |
| Температура плавления | 1604-1660°C |
| Теплопроводность | 7,2 Вт/мК |
| Электрическое сопротивление | 170 мкΩ-см |
| Коэфф. теплового расширения | 8,6 мкм/м-°C |
| Механические свойства | В собранном виде | Отожженный |
|---|---|---|
| Прочность на разрыв | 1050 МПа | 950 МПа |
| Предел текучести (смещение 0,2%) | 900 МПа | 850 МПа |
| Удлинение | ~15% | ~20% |
| Твердость | ~350 HV | ~300 HV |
Тонкий баланс высокой прочности и достойной пластичности делает этот сплав чрезвычайно популярным в аэрокосмической отрасли для изготовления критических печатных деталей в ракетных двигателях, рамах самолетов и турбинах.
Смешивая порошки молибдена и титана в различных соотношениях, можно добиться сочетания их свойств в индивидуальных сплавах.
Приложения
Молибденовые и титановые порошки позволяют создавать высокопроизводительные металлические AM-детали, приспособленные для работы в экстремальных условиях:
Нефть и газ
- Насосы и клапаны для фрекинга, подвергающиеся воздействию абразивных жидкостей при высоких давлениях и температурах
- Коррозионностойкие трубопроводы для кислот, газов и рассолов нефтяных скважин
Аэрокосмическая промышленность
- Лопатки и лопатки авиационных турбин, работающие при температуре >1000°C, для повышения топливной эффективности
- Облегченные кронштейны планера и двигателя с повышенной удельной прочностью
Автомобильная промышленность
- Шатуны, карданные валы и компоненты шасси уменьшают вес
- Инструменты для сварки трением с перемешиванием для изготовления панелей кузова
Медицина
- Ортопедические имплантаты с модулем упругости, подобным костному
- Коррозионностойкие биоинтерактивные устройства
Промышленность
- Легкие руки робота с улучшенным соотношением прочности и веса
- Стабильное по размерам оборудование для производства электроэнергии
Преодолевая ограничения традиционной обработки, AM с молибденом и титаном позволяет создавать высокоэффективные конструкции нового поколения. Детали демонстрируют заметное улучшение эксплуатационных характеристик при термических, механических и химических нагрузках.
Технические характеристики молибден-титановых порошков
Молибденовые и титановые порошки должны отвечать точным химическим требованиям и строгим спецификациям качества для использования в аддитивном производстве в соответствии с принятыми в отрасли стандартами:
Стандарты химической чистоты
| Степень порошкообразности | Стандарт |
|---|---|
| Молибден | ASTM B393 |
| Титан Ti-6Al-4V | ASTM F2924 |
| Титан Ti-6Al-7Nb | ASTM F3001 |
Типичные характеристики порошка
| Атрибут | Требования | Методы испытаний |
|---|---|---|
| Форма частиц | Преимущественно сферические | СЭМ-изображение согласно ASTM B822 |
| Кажущаяся плотность | 2 - 5 г/куб. см | MPIF 04 или ASTM B212 |
| Расход | >30 секунд для испытания потока Холла | ASTM B213 |
| Распределение частиц по размерам | D10, D50, D90 оптимизированы для процесса AM | ASTM B822 |
| Потери при воспламенении (LOI) | Низкий уровень кислорода/азота | Анализ плавления инертных газов |
| Микроструктура | Без дефектов, без спутников | СЭМ при большом увеличении |
Требования направлены на обеспечение равномерного плавления, бездефектной сборки и воспроизводимых свойств конечных деталей.
Глобальные поставщики
Многие известные производители поставляют молибденовые и титановые порошки для AM-технологий:
Молибденовый порошок
| Компания | Фирменные наименования | Метод производства |
|---|---|---|
| ХК Старк | Mo | Электролитический |
| Молимет | PureMo | Восстановление водорода |
| Plansee | MolyPowder | Снижение содержания кальция |
| Вольфрам Среднего Запада | TeroMoly | Снижение содержания кальция |
Титановый порошок
| Компания | Предлагаемые классы | Методы производства |
|---|---|---|
| AP&C | Ti-6Al-4V, другие сплавы титана | Плазменное распыление |
| Столярная присадка | Ti-6Al-4V | Плазменное распыление |
| Sandvik | Ti6Al4V ELI, Ti6Al4V ELI-0406 | Плазменное распыление |
| Tekna | Ti-6Al-4V, Ti 6Al-7Nb | Плазменное распыление |
| TLS Technik | Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI, Ti Grade 23 | Газовое, плазменное распыление |
Как известные производители металлических порошков, так и специализированные производители AM-порошков поставляют эти материалы в соответствии с жесткими отраслевыми спецификациями.
Ценообразование молибден-титановые порошки
Для молибдена и титановых порошков, как широко используемых материалов в металлическом AM, существуют опубликованные ценовые показатели:
Молибденовый порошок
| Размер частиц | Диапазон цен |
|---|---|
| 10-45 мкм | $40 - $60 за кг |
| 15-53 мкм | $50 - $70 за кг |
| Нестандартные размеры | > $100 за кг |
Титан Ti-6Al-4V порошок
| Размер частиц | Диапазон цен |
|---|---|
| 15-45 мкм | $150 - $450 за кг |
| 45-100 мкм | $100 - $350 за кг |
| Нестандартные размеры | > $500 за кг |
Цены зависят от класса качества, размера партии, диапазона распределения, плазменного или газового распыления и объема закупки. Цены на большие партии и контракты обычно обсуждаются напрямую с поставщиками.
Плюсы и минусы использования молибденовых и титановых сплавов в AM
Плюсы
- Выдающиеся высокотемпературные характеристики
- Повышенная удельная прочность и жесткость
- Устойчивость к термическим и усталостным нагрузкам
- Сложные каналы охлаждения объединяют прочность и теплопередачу
- Консолидированные узлы снижают количество компонентов
- Сокращение сроков разработки по сравнению с литьем
- Нестандартные сплавы с составом, соответствующим потребностям
- Обработка реактивных материалов без загрязнения
Cons
- Более высокая стоимость по сравнению со стандартными сплавами
- Сложные условия печати диктуют жесткую оптимизацию параметров
- Для достижения окончательных свойств может потребоваться постобработка
- Анизотропия при послойном построении
- Отсутствие стандартов дизайна и материалов
- Реактивные порошки требуют контролируемого хранения и обращения
Благодаря постоянным исследованиям и квалификации металлический AM позволяет молибдену и титану реализовать свой потенциал в создании более легких и прочных высокоэффективных конструкций.
Как изготавливают порошки молибдена и титана?
Передовые процессы газового распыления позволяют получать тонкие металлические порошки с точным контролем таких критических характеристик, как форма, размер и химическая чистота частиц.
Газовая атомизация
Слитки высокой чистоты индукционно расплавляются в инертной атмосфере, а поток жидкого металла заливается в специализированные емкости для распыления. Мощные струи аргона или азота распыляют металл на мелкие капли, которые быстро застывают в порошок.
Оптимизация параметров газового потока и скорости охлаждения позволяет получить сферические частицы с желаемым распределением частиц по размерам. Затем порошок просеивается на различные классификации размеров, необходимые для различных процессов AM.
Дополнительная обработка
Для улучшения свойств порошка могут быть предприняты дополнительные меры: дегазация для снижения уровня кислорода, отжиг для уменьшения внутренних напряжений при быстром затвердевании, смешивание с другими фракциями порошка для получения определенных диапазонов размеров.
Перед отправкой заказчикам порошки упаковываются в инертной атмосфере для предотвращения окисления. Протоколы обработки и хранения предотвращают поглощение влаги или загрязнение при последующей обработке металлов AM.
Струйная обработка связующего по сравнению с порошковым плавлением молибдена и титана
Молибденовые и титановые сплавы можно печатать как струйным методом, так и методом порошкового наплавления:
| Аспект | Струйная обработка вяжущего | Порошковая кровать Fusion |
|---|---|---|
| Метод сборки | Жидкие связующие вещества | Лазерная/электронно-лучевая плавка |
| Разрешение | ~100 мкм | ~50 мкм |
| Пористость | Более высокая, требует инфильтрации | Нижний, плотность 99%+ |
| Отделка поверхности | Неровный, требует обработки | Умеренная, может потребоваться отделка |
| Механические свойства | Низкий, варьируется в зависимости от части | Более высокая, более равномерная |
| Точность размеров | ±0,3% с усадкой | ±0,1% или лучше |
| Постобработка | Дебридинг, спекание, HIP | Удаление опор, термическая обработка |
| Размер конструкции | Промышленные масштабы | Маленькие камеры |
| Требования к времени | Дни | От нескольких часов до 1-2 дней |
| Экономика | Низкая стоимость деталей, большие объемы | Меньшие объемы, дорогое оборудование |
Струйная обработка связующего подходит для создания концептуальных моделей благодаря скорости и низкой стоимости. Сплавление в порошковом слое позволяет создавать высокоточные детали конечного использования с превосходными свойствами.
Молибден-титановые сплавы - Перспективы
Молибден и титан востребованы по отдельности благодаря своим высокотемпературным возможностям и соотношению прочности и веса соответственно. Комбинируя оба элемента, АМ открывает уникальные композиции сплавов с настраиваемыми свойствами.
Потенциальные группы сплавов
- Mo-Ti интерметаллиды для сверхвысокотемпературной прочности
- Силициды Mo-Ti с устойчивостью к окислению выше 1500°C
- Бориды Mo-Ti с экстремальной твердостью при высоких температурах
- Карбиды Mo-Ti, соответствующие уровню твердости керамики
Эти передовые материалы преодолевают барьеры, возникающие при традиционной обработке, благодаря контролю состава и манипулированию микроструктурой, что становится возможным при использовании процессов металлического AM.
Целевые приложения
- Гиперзвуковые аэрокосмические аппараты и конструкции для входа в атмосферу
- Детали горячих секций реактивных турбин и ракетных двигателей нового поколения с удвоенной рабочей температурой
- Легкие автомобильные силовые установки с высокой температурой выхлопа
- Внутренние устройства ядерного реактора, непрерывно работающие в интенсивных радиоактивных тепловых потоках
- Нагревательные элементы и приспособления для промышленных печей, повышающие температуру и эффективность
Аддитивное производство снимает ограничения, связанные с молибденом и титаном, открывая новые горизонты для экстремальных условий и высокопроизводительных приложений.
Вопросы и ответы
Вопрос: Для чего используется молибден?
О: Обладая превосходными высокотемпературными свойствами, молибден находит широкое применение в качестве легирующей добавки для усиления жаропрочных сталей и суперсплавов, используемых в аэрокосмической промышленности, энергетике, строительстве печей, ракетных компонентов и других ответственных областях.
В: Является ли молибден токсичным?
О: Элементарный молибден и его сплавы, как правило, имеют низкий уровень токсичности и безопасны для использования в технике. Однако некоторые соединения молибдена при длительном вдыхании могут оказывать потенциальное канцерогенное действие, что требует использования защитного оборудования при обращении и обработке.
В: Дорого ли стоит титан?
О: Титановые сплавы отличаются более высокой стоимостью сырья по сравнению со сталями и алюминиевыми сплавами. Однако, учитывая, что при производстве по технологии AM соотношение "покупка - полет" приближается к 1, стоимость готовых титановых деталей может быть экономически выгодной для таких отраслей, как аэрокосмическая, готовых внедрять новые технологии и конструкции.
В: Что делает титан идеальным материалом для имплантатов?
О: Биосовместимость титановых сплавов в сочетании с высоким соотношением прочности и веса делает их идеальными для замены человеческой кости. Модуль упругости может быть снижен до уровня костной ткани путем легирования биосовместимыми бета-стабилизаторами, такими как Nb и Ta, для увеличения срока службы несущих имплантатов.
Вопрос: Какой процесс 3D-печати используется для молибдена и титана?
О: Для изготовления высокопроизводительных деталей конечного использования преимущественно используются такие технологии порошковой плавки, как селективное лазерное плавление (SLM) и электронно-лучевое плавление (EBM). Благодаря высокотемпературному источнику тепла достигается практически полная плотность материала с превосходными свойствами, подходящими для инженерных применений.
В: Зачем смешивать молибден с титановым порошком?
О: Молибден повышает высокотемпературную твердость, сопротивление ползучести и свойства, подобные инструментальной стали, а титан обеспечивает превосходную коррозионную стойкость и низкую плотность. Вместе сплавы, изготовленные путем прямого смешивания их порошков методом AM, представляют собой идеальную комбинацию для передовых применений.
