Preparazione e applicazione della polvere di titanio

Aumenta la domanda di polvere di titanio

Con il continuo progresso della tecnologia industriale, la domanda di polvere di titanio è in costante aumento. Il titanio e le sue leghe sono rinomati per le loro eccellenti proprietà, tra cui la bassa densità, l'elevata forza specifica, la buona resistenza al calore e alla corrosione. Questi materiali sono ampiamente utilizzati in settori quali l'aerospaziale, la cantieristica, l'ingegneria chimica, la produzione di macchinari e le leghe dure.

Tuttavia, i processi tradizionali di metallurgia del titanio presentano inconvenienti quali lunghi cicli di lavorazione, elevato consumo energetico e bassi tassi di utilizzo del materiale. Questi problemi si traducono in costi di produzione più elevati per le leghe di titanio, limitandone la più ampia applicazione. I costi elevati non solo aumentano l'onere per le imprese manifatturiere, ma ostacolano anche la promozione dei materiali in titanio nelle piccole e medie imprese e nelle industrie emergenti. Pertanto, la riduzione dei costi di produzione del titanio e delle leghe di titanio è diventata un percorso cruciale per espandere le loro applicazioni.

In questo contesto, la tecnologia della metallurgia delle polveri è diventata gradualmente un'importante direzione di sviluppo nell'industria della metallurgia del titanio. La metallurgia delle polveri consente di ottenere la formazione di forme quasi nette modellando e sinterizzando le polveri metalliche, riducendo in modo significativo gli scarti di materiale e migliorando l'utilizzo delle risorse. Inoltre, i processi di metallurgia delle polveri utilizzano meno energia e sono più efficienti dal punto di vista energetico. Sono anche rispettosi dell'ambiente. Questi processi consentono la produzione ad alta precisione di forme complesse. Questo accorcia i cicli di produzione e aumenta l'efficienza produttiva. Di conseguenza, la metallurgia delle polveri riduce efficacemente i costi delle leghe di titanio. Inoltre, promuove l'uso della polvere di titanio in più settori.

Preparazione della polvere di titanio

La qualità e il costo della polvere di titanio sono estremamente importanti per la qualità dei prodotti della metallurgia delle polveri. Il metodo di preparazione influisce direttamente sulla qualità della polvere. Attualmente, i principali metodi di preparazione della polvere di titanio sferica includono l'atomizzazione, la sferoidizzazione al plasma a radiofrequenza e il processo a elettrodi rotanti al plasma. Mentre i metodi principali per la preparazione di polvere di titanio non sferica includono i metodi di idrogenazione-deidrogenazione e riduzione.

Come si prepara la polvere di titanio sferica?

1. Metodo di atomizzazione

Il metodo di atomizzazione è il metodo più utilizzato per la preparazione della polvere di titanio sferica sia a livello nazionale che internazionale e comprende principalmente l'atomizzazione a gas e l'atomizzazione al plasma.

L'atomizzazione a gas prevede l'uso di un flusso d'aria ad alta velocità per colpire e rompere il metallo fuso, che viene poi rapidamente raffreddato per ottenere la polvere di metallo. Attualmente è il metodo più comune per produrre polvere di titanio sferica. La polvere di titanio prodotta con la tecnologia di atomizzazione a gas ha un basso contenuto di impurità e di ossigeno, che la rendono adatta alla fabbricazione additiva.

L'atomizzazione al plasma prevede il posizionamento di titanio o lega di titanio a forma di filo sotto un fluido di atomizzazione al plasma, dove il materiale viene fuso e atomizzato simultaneamente. Le gocce di metallo formano particelle sferiche sotto l'azione della tensione superficiale.

Figura 1. Microstruttura delle polveri di titanio sferiche preparate con il metodo di atomizzazione

2. Metodo di sferoidizzazione con plasma a radiofrequenza

La tecnologia di sferoidizzazione al plasma a radiofrequenza utilizza il plasma per modificare la forma della polvere di forma irregolare e preparare una polvere sferica. Utilizzando TiH2 di forma irregolare come materia prima, si applica il trattamento di sferoidizzazione al plasma a radiofrequenza per produrre polvere di titanio sferica fine. Le particelle di TiH2 grossolane vengono sottoposte a esplosione di idrogeno, deidrogenazione e sferoidizzazione nella regione del plasma. Regolando la velocità di alimentazione e il flusso del gas di trasporto, il tasso di sferoidizzazione può raggiungere il 100%, la resa della polvere fine può superare l'80% e non ci sono polveri cave o sfere satellite, il che riduce significativamente il prezzo della polvere di titanio sferica.

Figura 2. Diagramma che illustra il processo di sferoidizzazione al plasma a radiofrequenza utilizzato per produrre polvere ultrapura da pezzi di materiale di forma irregolare.[1]

3. Processo con elettrodi rotanti al plasma

La polvere di titanio prodotta dal processo di elettrodo rotante al plasma ha una superficie liscia, è relativamente densa, ha una buona fluidità e una distribuzione granulometrica stretta. La dimensione delle particelle della polvere può essere regolata dalla velocità di rotazione dell'elettrodo.

Rispetto alla polvere prodotta con atomizzazione a gas, la polvere prodotta con il processo a elettrodi rotanti non presenta le comuni fasi associate presenti nella polvere di titanio sferica atomizzata e la dimensione delle particelle è più uniforme. Tuttavia, il costo della polvere di titanio prodotta con questo metodo è elevato e attualmente è generalmente utilizzata nel settore aerospaziale.

Come preparare la polvere di titanio non sferica

1. Metodo di idrogenazione-deidrogenazione (HDH)

Il metodo HDH prevede prima la produzione di polveri di idruri attraverso l'idrogenazione e poi l'ottenimento di polveri di leghe metalliche attraverso il trattamento di deidrogenazione. Questo metodo è semplice, con materie prime facilmente accessibili. La polvere di titanio ottenuta ha un'ampia distribuzione granulometrica e un basso costo, che la rendono il metodo principale per la produzione di polvere di titanio non sferica.

2. Metodo di riduzione termica

Il metodo di riduzione termica utilizza metalli attivi come sodio, magnesio o calcio per ridurre i sali di titanio o gli ossidi di titanio per produrre polvere di titanio. Il metodo di riduzione con magnesio produce principalmente polvere di titanio generata durante il processo di produzione di spugna di titanio. Tuttavia, a causa dell'elevato contenuto di elementi impuri, è raramente utilizzato specificamente per la produzione di polvere di titanio. La riduzione con sodio, invece, produce polvere di titanio con elevata purezza, in particolare con bassi livelli di impurità di ossigeno, azoto, ferro e carbonio, e con una buona fluidità. È considerato uno dei metodi più promettenti per la produzione di polvere di titanio.

Riepilogo: Tecnologia di preparazione delle polveri di titanio

I metodi principali per la preparazione di polvere di titanio sferica includono il metodo di atomizzazione, il metodo dell'elettrodo rotante al plasma e il metodo di sferoidizzazione al plasma RF. Le polveri ottenute presentano dimensioni uniformi delle particelle e basse aree superficiali specifiche, ma hanno prestazioni di sinterizzazione inferiori. Le tecnologie di formatura comprendono la produzione additiva e lo stampaggio a iniezione. Le polveri di titanio prodotte con il metodo di idrogenazione-deidrogenazione e con il metodo di riduzione non sono sferiche e presentano un contenuto più elevato di elementi impuri. La tecnologia di formatura è generalmente la pressatura isostatica a freddo, con attrezzature semplici e bassi costi di produzione.

Applicazioni della polvere di titanio

Il rapido sviluppo della tecnologia di stampa 3D ha aperto nuove strade per l'applicazione delle polveri di titanio e leghe di titanio. In settori quali l'aerospaziale, i dispositivi medici e l'automotive, la polvere di titanio metallico è ampiamente utilizzata per produrre componenti complessi, ad alta resistenza e leggeri.

1. Aerospaziale

Il titanio metallico, con le sue caratteristiche di leggerezza e alta resistenza, è diventato un materiale ideale per l'industria aerospaziale. Con l'aumento della domanda globale di aerei commerciali, aerei militari e veicoli spaziali, la dipendenza dei produttori aerospaziali da materiali ad alte prestazioni continua a crescere. La polvere di titanio metallico, in quanto materia prima per la produzione di componenti critici come le parti strutturali degli aerei, le parti dei motori e le pale delle turbine, vede naturalmente un aumento significativo della domanda.

2. Dispositivi medici

La biocompatibilità del titanio metallico gli conferisce un vantaggio unico nel campo degli impianti medici. Con l'invecchiamento della popolazione mondiale e l'aumento delle esigenze mediche, l'applicazione della polvere di titanio metallico in prodotti medici come impianti ortopedici, impianti dentali e stent cardiovascolari è in continua espansione.

3. Produzione automobilistica

Per migliorare l'efficienza dei consumi e ridurre le emissioni, l'industria automobilistica è alla ricerca di soluzioni leggere. La polvere di titanio metallico, come materia prima per la produzione di componenti automobilistici ad alte prestazioni, sta registrando una domanda crescente. La sua applicazione è particolarmente diffusa nei settori delle corse e dell'automotive di fascia alta.

4. Dispositivi elettronici

La polvere di lega di titanio, attraverso la tecnologia di produzione additiva, può produrre componenti complessi microstrutturati che soddisfano i requisiti di precisione e di materiale ad alte prestazioni dei moderni dispositivi elettronici. Ad esempio, Apple prevede di utilizzare scocche e cerniere in lega di titanio nei suoi iPhone pieghevoli per garantire durata e leggerezza. L'utilizzo della stampa 3D per la produzione di telefoni consente di realizzare design cavi, riducendo ulteriormente il peso dello chassis senza compromettere la resistenza strutturale e migliorando le prestazioni di dissipazione del calore.

Stanford Advanced Materials si impegna a fornire ai clienti una varietà di polveri di metalli e leghe, tra cui diversi tipi di polveri a base di titanio. È possibile ottenere informazioni dettagliate sul prodotto qui: Polvere a base di titanio.