Herstellung und Anwendung von Titanpulver

Steigende Nachfrage nach Titanpulver

Mit dem kontinuierlichen Fortschritt der industriellen Technologie ist die Nachfrage nach Titanpulver stetig gestiegen. Titan und seine Legierungen sind für ihre ausgezeichneten Eigenschaften bekannt, darunter geringe Dichte, hohe spezifische Festigkeit, gute Wärmebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Diese Werkstoffe werden in der Luft- und Raumfahrt, im Schiffbau, in der chemischen Industrie, im Maschinenbau und in Hartlegierungen eingesetzt.

Die herkömmlichen Verfahren der Titanmetallurgie haben jedoch Nachteile wie lange Verarbeitungszyklen, hoher Energieverbrauch und geringe Materialausnutzung. Diese Probleme führen zu höheren Produktionskosten für Titanlegierungen, was ihre breitere Anwendung einschränkt. Die hohen Kosten erhöhen nicht nur die Belastung der produzierenden Unternehmen, sondern behindern auch die Förderung von Titanwerkstoffen in kleinen und mittleren Unternehmen und aufstrebenden Industrien. Daher ist die Senkung der Produktionskosten von Titan und Titanlegierungen ein entscheidender Weg zur Ausweitung ihrer Anwendungen.

Vor diesem Hintergrund hat sich die Pulvermetallurgie-Technologie allmählich zu einer wichtigen Entwicklungsrichtung in der Titanmetallurgie-Industrie entwickelt. Bei der Pulvermetallurgie wird durch die Formgebung und das Sintern von Metallpulvern eine endkonturnahe Formgebung erreicht, wodurch der Materialabfall erheblich reduziert und die Ressourcennutzung verbessert wird. Außerdem verbrauchen pulvermetallurgische Verfahren weniger Energie und sind energieeffizienter. Sie sind außerdem umweltfreundlich. Diese Verfahren ermöglichen die hochpräzise Herstellung komplexer Formen. Dadurch werden die Produktionszyklen verkürzt und die Produktionseffizienz erhöht. Infolgedessen senkt die Pulvermetallurgie effektiv die Kosten für Titanlegierungen. Sie fördert auch die Verwendung von Titanpulver in weiteren Bereichen.

Herstellung von Titanpulver

Die Qualität und die Kosten des Titanpulvers sind für die Qualität der pulvermetallurgischen Produkte von großer Bedeutung. Die Aufbereitungsmethode wirkt sich direkt auf die Qualität des Pulvers aus. Zu den wichtigsten Methoden zur Herstellung von kugelförmigem Titanpulver gehören derzeit die Zerstäubung, die Hochfrequenz-Plasma-Sphäroidisierung und das Verfahren mit rotierenden Plasmaelektroden. Zu den wichtigsten Verfahren zur Herstellung von nicht kugelförmigem Titanpulver gehören Hydrierung/Dehydrierung und Reduktionsverfahren.

Wie wird kugelförmiges Titanpulver hergestellt?

1. Zerstäubungsmethode

Die Zerstäubungsmethode ist die am weitesten verbreitete Methode zur Herstellung von kugelförmigem Titanpulver sowohl im Inland als auch international.

Bei derGaszerstäubung wird ein Hochgeschwindigkeitsluftstrom eingesetzt, um geschmolzenes Metall aufzuschlagen und aufzubrechen, das dann schnell abgekühlt wird, um Metallpulver zu erhalten. Dies ist derzeit die gängigste Methode zur Herstellung von kugelförmigem Titanpulver. Das mit der Gaszerstäubungstechnik hergestellte Titanpulver weist einen geringen Gehalt an Verunreinigungen und Sauerstoff auf und ist daher für die additive Fertigung geeignet.

Bei derPlasmazerstäubung wird drahtförmiges Titan oder eine Titanlegierung unter eine Plasmazerstäubungsflüssigkeit gebracht, in der das Material gleichzeitig geschmolzen und zerstäubt wird. Die Metalltröpfchen bilden unter der Wirkung der Oberflächenspannung kugelförmige Partikel.

Abb. 1. Mikrostruktur der kugelförmigen Titanpulver, die mit der Zerstäubungsmethode hergestellt wurden

2. Hochfrequenz-Plasma-Sphäroidisierungsverfahren

Bei der Hochfrequenzplasma-Sphäroidisierung wird Plasma verwendet, um die Form von unregelmäßig geformtem Pulver zu verändern und kugelförmiges Pulver herzustellen. Unter Verwendung von unregelmäßig geformtem TiH2 als Rohmaterial wird eine Hochfrequenz-Plasma-Sphäroidisierungsbehandlung durchgeführt, um feines kugelförmiges Titanpulver herzustellen. Grobe TiH2-Partikel werden im Plasmabereich einer Wasserstoffexplosion, Dehydrierung und Sphäroidisierung unterzogen. Durch Anpassung der Zuführungsrate und des Trägergasstroms kann die Sphäroidisierungsrate 100 % erreichen, die Ausbeute an feinem Pulver übersteigt 80 %, und es entstehen keine Hohlkörper oder Satellitenkugeln, was den Preis für kugelförmiges Titanpulver erheblich senkt.

Abb. 2. Schematische Darstellung des Hochfrequenz-Plasma-Sphäroidisierungsverfahrens zur Herstellung von hochreinem Pulver aus unregelmäßig geformten Materialbrocken[1].

3. Plasma-Rotationselektroden-Verfahren

Das mit dem Plasma-Rotationselektroden-Verfahren hergestellte Titanpulver hat eine glatte Oberfläche, ist relativ dicht, hat eine gute Fließfähigkeit und eine enge Partikelgrößenverteilung. Die Partikelgröße des Pulvers kann durch die Rotationsgeschwindigkeit der Elektrode eingestellt werden.

Im Vergleich zu dem durch Gaszerstäubung hergestellten Pulver weist das durch das Rotationselektrodenverfahren hergestellte Pulver nicht die bei zerstäubtem kugelförmigem Titanpulver üblichen Begleitphasen auf, und die Teilchengröße ist einheitlicher. Die Kosten für das mit dieser Methode hergestellte Titanpulver sind jedoch hoch, und es wird derzeit hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet.

Herstellung von nicht-sphärischem Titanpulver

1. Hydrierung-Dehydrierung-Methode (HDH)

Bei der HDH-Methode werden zunächst Hydrid-Pulver durch Hydrierung hergestellt und anschließend Metalllegierungspulver durch Dehydrierung gewonnen. Diese Methode ist einfach und die Rohstoffe sind leicht zugänglich. Das resultierende Titanpulver hat eine breite Partikelgrößenverteilung und ist kostengünstig, so dass es die wichtigste Methode zur Herstellung von nicht kugelförmigem Titanpulver ist.

2. Thermische Reduktionsmethode

Bei der thermischen Reduktionsmethode werden aktive Metalle wie Natrium, Magnesium oder Kalzium verwendet, um Titansalze oder Titanoxide zu reduzieren und Titanpulver herzustellen. Bei der Magnesium-Reduktionsmethode wird in erster Linie Titanpulver hergestellt, das bei der Herstellung von Titanschwämmen anfällt. Aufgrund des hohen Gehalts an Verunreinigungen wird es jedoch nur selten speziell für die Herstellung von Titanpulver eingesetzt. Im Gegensatz dazu erzeugt die Natriumreduktion Titanpulver mit hoher Reinheit, insbesondere mit einem geringen Gehalt an Sauerstoff-, Stickstoff-, Eisen- und Kohlenstoffverunreinigungen, und guter Fließfähigkeit. Sie gilt als eine der vielversprechendsten Methoden zur Herstellung von Titanpulver.

Zusammenfassung: Aufbereitungstechnologie für Titanpulver

Zu den wichtigsten Methoden zur Herstellung von kugelförmigem Titanpulver gehören die Zerstäubungsmethode, die Methode der rotierenden Plasmaelektrode und die RF-Plasma-Sphäroidisierungsmethode. Die daraus resultierenden Pulver zeichnen sich durch eine einheitliche Teilchengröße und eine geringe spezifische Oberfläche aus, haben aber eine schlechtere Sinterleistung. Zu den Formgebungsverfahren gehören die additive Fertigung und das Spritzgießen. Titanpulver, die nach der Hydrierungs-/Dehydrierungsmethode und der Reduktionsmethode hergestellt werden, sind nicht kugelförmig und weisen einen höheren Gehalt an Verunreinigungen auf. Die Umformung erfolgt in der Regel durch isostatisches Kaltpressen, wobei einfache Anlagen und niedrige Produktionskosten verwendet werden.

Anwendungen von Titanium Powder

Die rasche Entwicklung der 3D-Drucktechnologie hat neue Wege für die Anwendung von Titan- und Titanlegierungspulvern eröffnet. In Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und der Automobilindustrie wird Titanmetallpulver häufig zur Herstellung komplexer, hochfester und leichter Bauteile verwendet.

1. Luft- und Raumfahrt

Titanmetall mit seinen leichten und hochfesten Eigenschaften ist ein idealer Werkstoff für die Luft- und Raumfahrtindustrie geworden. Da die weltweite Nachfrage nach Verkehrsflugzeugen, Militärflugzeugen und Raumfahrzeugen steigt, sind die Hersteller in der Luft- und Raumfahrt immer mehr auf Hochleistungswerkstoffe angewiesen. Die Nachfrage nach Titanmetallpulver als Rohstoff für die Herstellung kritischer Komponenten wie Flugzeugstrukturteile, Triebwerksteile und Turbinenschaufeln steigt natürlich deutlich an.

2. Medizinische Geräte

Die Biokompatibilität von Titanmetall verleiht ihm einen einzigartigen Vorteil im Bereich der medizinischen Implantate. Angesichts der alternden Weltbevölkerung und des steigenden medizinischen Bedarfs nimmt die Verwendung von Titanmetallpulver in medizinischen Produkten wie orthopädischen Implantaten, Zahnimplantaten und kardiovaskulären Stents ständig zu.

3. Automobilherstellung

Um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern und den Schadstoffausstoß zu verringern, sucht die Automobilindustrie aktiv nach Leichtbaulösungen. Die Nachfrage nach Titanmetallpulver als Rohstoff für die Herstellung von Hochleistungskomponenten für die Automobilindustrie steigt. Seine Anwendung ist vor allem im Rennsport und im High-End-Automobilsektor weit verbreitet.

4. Elektronische Geräte

Mit Hilfe der additiven Fertigungstechnologie können aus Titanlegierungspulver komplexe mikrostrukturierte Bauteile hergestellt werden, die den Anforderungen moderner elektronischer Geräte an Präzision und Leistungsfähigkeit entsprechen. So plant Apple beispielsweise die Verwendung von Gehäusen aus Titanlegierungen und Scharnieren aus Titanlegierungen in seinen faltbaren iPhones, um Haltbarkeit und Leichtbau zu gewährleisten. Die Verwendung des 3D-Drucks für die Telefonproduktion ermöglicht hohle Konstruktionen, die das Gewicht des Gehäuses weiter reduzieren, ohne die strukturelle Festigkeit zu beeinträchtigen, und gleichzeitig die Wärmeableitungsleistung verbessern.

Stanford Advanced Materials bietet seinen Kunden eine Vielzahl von Metall- und Legierungspulvern an, darunter auch verschiedene Arten von Pulvern auf Titanbasis. Detaillierte Informationen über das Produkt erhalten Sie hier: Pulver auf Titanbasis.