Titan und seine Legierungen werden aufgrund ihrer geringen Dichte, hohen spezifischen Festigkeit, Biokompatibilität und guten Stabilität bei mittleren und hohen Temperaturen sowie guten mechanischen Eigenschaften und ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit häufig in der Luft- und Raumfahrt sowie im Militär- und Marinebereich eingesetzt. Die traditionelle Verarbeitungstechnologie des Schmelzschmiedens bietet Vorteile bei der Herstellung von Titanprofilen oder -produkten mit großen Abmessungen und einfacher Form. Bei der Herstellung von Titanprodukten mit komplexer Struktur sowie kleinen und mittleren{1}}Größen gibt es jedoch Probleme wie geringe Ausbeute, Ressourcenverschwendung und hohe Produktionskosten. Die nahezu endgültige Pulverumformungstechnologie kann diesen technischen Mangel genau ausgleichen. Durch die Pulveraufbereitung kann die nahezu endgültige Umformungstechnologie in einer Chargen- oder kundenspezifischen Herstellung von Titanlegierungsprodukten verschiedener Maßstäbe und Struktureigenschaften erfolgen. Diese Art von kleinen und mittelgroßen Produkten in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Militär, Medizin und Zivilverbrauch hat ein größeres Anwendungspotenzial und einen größeren Mehrwert. Die künftige Förderung der Titanindustrie sowie die Umstellung auf eine kohlenstoffarme und umweltfreundliche Fertigung sind eine wichtige Richtung.
1, gepresstes Sintern
In den Vereinigten Staaten steht die Forschung im Bereich Titanpulverpressen, Sintern und Vorbereitung von Titanlegierungsprodukten noch am Anfang. Dynamet Technology hat sich der Herstellung von Pressformprodukten aus Titanpulver verschrieben, wie in Abbildung 1 dargestellt, einige der Produkte wurden in kleinem Maßstab eingesetzt. Das erste vom Unternehmen hergestellte pulvermetallurgische Titanprodukt war der Vorformling aus der Ti-6Al-4V-Legierung für die Kuppelhülle der Rattlesnake-Rakete von Raytheon. Später wurden pulvermetallurgische Ti-6Al-6V-2Sn-Legierungsprodukte für den Einsatz in der Sprengkopfhülle der Stinger-Rakete hergestellt. Aufgrund seines bedeutenden Beitrags zu Titanprodukten wurde Dynamet Technology zum alleinigen Lieferanten von Produkten aus pulverförmigen Titanlegierungen für Boeing. Darüber hinaus produziert American ADMA Products seit 1985 pulvermetallurgische Titanteile und einige seiner Produkte werden im Luft- und Raumfahrtbereich eingesetzt. Das Northwest Nonferrous Metals Research Institute in China verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung auf dem Gebiet der netznahen Formung von Titanpulver. Die Entwicklung poröser Titanprodukte wurde in der chemischen Industrie, der Lebensmittelindustrie und anderen Bereichen angewendet. Abbildung 1 (b) zeigt die Filterindustrie für die Anwendung von gewalzten porösen Titanplatten in Pulverform.
2, Heißisostatisches Pressen
Das Verfahren des heißisostatischen Pressens (HIP) wurde in den 1950er Jahren vom US-amerikanischen Battelle (Battelle) Institute erfunden. Bei dieser Technologie handelt es sich um eine Art Inertgas als Druckübertragungsmedium bei einer Temperatur von 850 {3}}2000 Grad und 100 {4}}200 MPa unter dem synergistischen Effekt des Gasdrucks. Die Produkte der Hochtemperaturpress- und Sintertechnologie ermöglichen die derzeitige nahezu endkonturnahe Formung von Titanpulver und Strukturteile aus Titanlegierung des Ganzen Verdichtung der wichtigsten Produktmittel mit einheitlicher Organisation, ohne Weben, ohne Trennung und anderen Eigenschaften.
3, Pulverspritzguss
Die Metallpulver-Spritzgusstechnologie (Metal Injection Molding, MIM) kann direkt mit oder nahe an der endgültigen Form der Teile vorbereitet werden, wodurch eine maschinelle Bearbeitung vermieden oder reduziert wird, was die Vorbereitungskosten erheblich senkt. Daher ist die Pulverspritzgusstechnologie eines der effektivsten technischen Mittel für die Massenproduktion von Teilen aus Titan und Titanlegierungen.. 3C-Produkte (einschließlich Mobiltelefone, Smart Wearables, Brillenfassungen, 5G-Signalteile) in der elektronischen Kommunikation sind mit 84,2 % der wichtigste Anwendungsbereich der Pulverspritzgusstechnologie. In diesem Stadium sind die wichtigsten Materialien auf Eisenbasis, und das leichte Design des Materials sowie das Streben nach hoher Qualität sind die Hauptrichtung der zukünftigen Entwicklung von 3C-Produkten. Titanlegierungen haben eine geringe Dichte (Dichte von nur der Hälfte der Materialien auf Eisenbasis), eine hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und andere Eigenschaften, um der Zukunft leichter Materialien und eines hochwertigen Designs gerecht zu werden. Statistiken zufolge erreichte die Marktgröße der chinesischen Titanspritzgussindustrie im Jahr 2020 680 Millionen Yuan, und die Marktgröße wird im Jahr 2026 voraussichtlich 2 Milliarden Yuan erreichen, mit einer jährlichen Wachstumsrate von bis zu 20,13 %, entsprechend den Prognosen für nachfrageseitige Inputs und angebotsseitiges Umsatzwachstum.
4, Additive Fertigung
Bei der additiven Fertigung (Additive Manufacturing, AM) handelt es sich um eine punkt-, linien- und oberflächenschichtweise kumulative Formtechnologie, die nicht von der Komplexität der Teile beeinflusst wird und die Konstruktion und Herstellung komplexer Teile automatisch, schnell und präzise abschließen kann. Im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungstechnologien bietet die additive Fertigung einzigartige Vorteile in Bezug auf Designfreiheit, komplexe Teileformung und Materialnutzung, was sie zu einer vielversprechenden Technologie zur Herstellung von Titanlegierungen macht. Der weltweite Markt für 3D-Metalldruck erreichte im Jahr 2019 3,3 Milliarden US-Dollar, einschließlich 3D-Druckausrüstung, Materialien und Dienstleistungen, und wird im Jahr 2024 voraussichtlich 11 Milliarden US-Dollar erreichen, wobei laut SmarTech Analytics Titanlegierungen das wichtigste zu druckende Metall sind. Die Luft- und Raumfahrt sowie die militärische Verteidigung sind der Hauptanwender der additiven Titanfertigung, die erfolgreich für die direkte Formung kleiner Präzisionskomponenten für Raumfahrttriebwerke und großer und komplexer Komponenten für die Luftfahrt eingesetzt wird, wie z. B. Weltraumstartsysteme, Flugzeugflügel, integrierte Steuerflächen und -luken, Triebwerksblätter und andere wichtige Flugausrüstungskomponenten.
Als Grundrohstoff des oben genannten Pulvermetallurgie-Endformprozesses sind Kosten und Qualität der Pulvermetallurgieprodukte die wichtigsten Faktoren, die den Preis und die Leistung der Pulvermetallurgieprodukte beeinflussen. Der herkömmliche Herstellungsprozess für Titanlegierungspulver ist komplex, teuer und die Ausbeute an Feinpulver ist gering. Nach drei Jahren der Forschung und Entwicklung einer neuen Methode zur Herstellung eines mikrofeinen Titanpulver-Aufbereitungsprozesses wurde das Design und die Entwicklung der Pulverproduktionsausrüstung unabhängig abgeschlossen, um die Partikelgröße eines neuen Typs von hochqualitativem Titanpulver zu erreichen, das durch die Chargenvorbereitung gesteuert werden kann. Die Ausbeute an feinem Pulver wurde von 35 % auf 80 % erhöht und die Kosten um mehr als 40 % gesenkt, was auf High-End-Fertigungsbereiche wie Pulverspritzguss, additive Fertigung und heißisostatisches Pressen von Pulver angewendet werden kann. Zu den Hauptprodukttypen gehören reines Titan, TC4, TA15 und andere Qualitäten hochwertiger Pulver auf Titanbasis-mit kontrollierbarer Partikelgröße sowie hydrierte Legierungspulver auf Titanbasis, hydrierte dehydrierte Pulver und kundenspezifische Metallmatrix-Verbundpulver auf Titanbasis.
