Ti 6242: Een hoogwaardige 3D-geprinte titaniumlegering

Titaanlegeringspoeders zijn gebruikt voor het maken van onderdelen met uitstekende prestaties en de meest voorkomende kwaliteiten zijn Ti6Al4V, maar onder bepaalde omstandigheden zijn er betere opties zoals TI-5553 en TI-38644 en titaanlegering Ti-6242 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,08Si), die geschikt is voor toepassingen met hoge prestaties en hoge temperaturen. De dichtheid is 4,5g/cm³, waardoor het een goede sterkte/gewichtsverhouding heeft. Ti-6242 combineert een goede mechanische sterkte en weerstand tegen hoge temperaturen, waardoor het een materiaal is dat moeilijk te produceren is met conventionele technieken en kan worden gebruikt in de ruimtevaart, militaire, nucleaire en motorsportindustrie. Het wordt in dit artikel besproken.

Ti 6242 chemische samenstelling (AMS/SAE 4919)

De chemische samenstelling van Ti-6242 is weergegeven in de bovenstaande tabel. Het kan worden gebruikt in commerciële en militaire lucht- en ruimtevaart en in de kernenergie-industrie waar componenten die een uitstekende stabiliteit bij hoge temperatuur en een laag gewicht vereisen (zoals motoren, turbineonderdelen, naverbranderstructuren, hogedrukcompressorbladen en hete uiteinden van de romp) essentieel zijn voor de algemene prestaties. Sommige koude uiteinden hebben alleen titaanlegeringen met lage-temperatuur-eigenschappen nodig, terwijl hete uiteinden profiteren van de hoge-temperatuurstabiliteit die de TI-6242 biedt. Deze toepassingen vereisen verschillende materialen, dus het is cruciaal om het juiste materiaal te kiezen op basis van de vereisten voor de bedrijfstemperatuur. Ondertussen is TI-6242 de eerste titaanlegering die door de AMS (American Aerospace Materials) specifiek is gespecificeerd voor additive manufacturing toepassingen. Vergeleken met andere titaanlegeringen met dezelfde deeltjesgrootteverdeling heeft TI-6242 een hogere oxidatieweerstand en veiligheid en is het gemakkelijker te verwerken.

TI-6242 heeft een uitstekende stabiliteit bij hoge temperaturen, met een kruipweerstand tot 500-550 °C, waardoor het voldoet aan de sterktevereisten voor toepassingen bij hoge temperaturen en kruipweerstand. Terwijl andere veel voorkomende titaanlegeringen, zoals Ti6Al4VDe TI-6242 is in staat om bij veel hogere temperaturen te werken (van lage temperaturen tot 500°C), zelfs met verschillende temperatuurvariaties in sommige extreme gevallen. De uitdaging in de ruimtevaart is altijd geweest om te proberen de hoogste mechanische prestaties te bereiken bij het laagst mogelijke gewicht bij de hoogste temperatuur. Superlegeringen op basis van nikkel worden vaak gebruikt in het hetere gebied, terwijl hun dichtheid twee keer zo groot is als TI-6242, en kunnen worden gebruikt om het gewicht van motoren in de lucht- en ruimtevaartindustrie te verlagen en toch te voldoen aan de temperatuurvereisten. Deze eigenschappen zijn ook geschikt voor de race-industrie, waar het lichtgewicht van TI-6242 de motorprestaties en brandstofefficiëntie helpt verbeteren. Daarom kan TI-6242 een effectieve vervanger zijn voor staal en op nikkel gebaseerde superlegeringen.

Het 3D-printpoeder TI-6242 voldoet aan het ontwerp voor middelhoge temperaturen dat geschikt is voor roterende motoren met hoge snelheid, maar vormt nog steeds een uitdaging omdat het gevoelig is voor scheuren door restspanningen. Poeders met een hoge bolvorm verbeteren de bewerkbaarheid en helpen het printproces stabiel te houden en scheuren te voorkomen. De vermoeiingseigenschappen van materialen zijn erg gevoelig voor defecten, hoe defecten te verminderen bij additieve productie is een goede manier om de grondstoffen te optimaliseren. Daarnaast zijn de mechanische eigenschappen van bolvormig poeder TI-6242 kan worden geregeld door het cyclische warmtebehandelingsproces.

Ti-6242 poeder met verschillende deeltjesgrootte geproduceerd door AP&C

AP&C, een poederproductiebedrijf van GE Additive, is gespecialiseerd in reactieve materialen, met name titaniumpoeder en is pionier op het gebied van de productie van Ti-6242. De Italiaanse 3D-printdienstverlener BEAMIT deed ook onderzoek en toont aan dat de treksterkte van TI-6242 geproduceerd door L-PBF ongeveer 1000MPa is bij kamertemperatuur en boven de 600MPa blijft bij 550°C. Deze eigenschappen zijn vergelijkbaar met die van smeedwerk ti-6242 en IMI834, een van de titaanlegeringen met de hoogste prestaties bij hoge temperaturen. In het onderzoek van het Singapore Institute of Manufacturing Technology werd een cyclisch warmtebehandelingsproces voor de bereiding van sferische α-fase in laserondersteunde additieve productie van bijna α titaanlegering TI-6242 voorgesteld en geverifieerd. De elementverspreiding tussen α en β is de drijvende kracht achter de vorming van de sferische α-fase in lasergeassisteerde additieve fabricage van ti-6242 legering. Door de vorming van bolvormige α-fase werden de sterkte en rek van lasergeassisteerde additieve productie Ti-6242 legering gecontroleerd, die de vereisten van AMS 4919J (vloeigrens ≥827 MPa, rek ≥10%) bereikten. De TI-6242 komt overeen met de Chinese GB TA19, die geleverd kan worden door verschillende poederfabrikanten van titaniumlegeringen in China.