Aperçu des poudres de molybdène et de titane
poudres de molybdène et de titane se réfèrent à de fines particules métalliques de chaque élément produites par des processus d'atomisation. Elles présentent une grande solidité, une grande dureté et une grande résistance à la chaleur.
Les poudres sont utilisées individuellement ou sous forme de mélanges pour la fabrication d'alliages à haute performance. Leur distribution granulométrique contrôlée permet de construire des composants complexes de forme quasi-nette à partir de couches lors de l'impression 3D de métaux.
Quelques caractéristiques clés des poudres de molybdène et de titane :
Poudre de molybdène
- Excellente résistance au fluage et stabilité à haute température
- Faible coefficient de dilatation thermique
- Dureté élevée et résistance à l'usure
- Utilisé comme alliage pour renforcer les aciers et les superalliages
Poudre de titane
- Métal structurel extrêmement résistant et pourtant léger
- Excellente résistance à la corrosion
- Biocompatible pour les implants médicaux
- Réactif et nécessitant un traitement contrôlé
Poudres mélangées/alliées
- Combiner les propriétés bénéfiques de chaque élément
- Permet de personnaliser les performances des matériaux
- Nécessite des paramètres d'impression 3D optimisés
En manipulant les compositions par AM, il est possible de créer des alliages innovants avec des propriétés supérieures adaptées aux environnements extrêmes.
Types de poudres de molybdène et de titane
Les poudres de molybdène et de titane sont disponibles dans le commerce sous différentes formes pour la fabrication additive de métaux :
| Variante poudre | Caractéristiques | Utilisations typiques |
|---|---|---|
| Molybdène | Qualités pures et alliées | AM des alliages de molybdène, catalyseurs |
| Titane Ti-6Al-4V | Alliage aérospatial | Aérostructures porteuses |
| Titane Ti-6Al-7Nb | Alliage alpha-bêta biocompatible | Implants médicaux, prothèses |
| Mélanges élémentaires de Mo-Ti | Compositions d'alliages sur mesure | Applications techniques avancées |
| Alliages maîtres Mo-Ti | Mélanges pré-alliés | Traitement simplifié de l'AM |
Sous sa forme élémentaire, le molybdène offre une dureté à haute température, tandis que le titane contribue à la solidité et à la résistance à la corrosion. En combinant ces deux éléments par AM, il est possible de créer des alliages innovants aux performances globales améliorées.
Composition/alliage
Les poudres de molybdène et de titane ont les compositions nominales suivantes :
Poudre de molybdène
| Élément | Gamme de composition |
|---|---|
| Molybdène (Mo) | 99% et plus |
| Oxygène (O) | 0,01% max |
| Carbone (C) | 0,01% max |
| Fer (Fe) | 0,01% max |
| Autres métaux | 0,01% max |
Une grande pureté est nécessaire pour assurer la reproductibilité pendant l'AM et le traitement en aval. La contamination peut avoir des effets néfastes sur les propriétés des matériaux.
Titane Ti-6Al-4V
| Élément | Poids % |
|---|---|
| Titane (Ti) | Équilibre |
| Aluminium (Al) | 5.5-6.75 |
| Vanadium (V) | 3.5-4.5 |
| Fer (Fe) | < 0.3 |
| Oxygène (O) | <0.2 |
| Autres métaux | <0,1 |
De petites quantités d'alliages d'aluminium et de vanadium améliorent considérablement la solidité du titane pour les structures légères porteuses.
Pour les poudres Mo-Ti mélangées, les rapports relatifs peuvent varier de 100% Mo à 100% Ti pour créer des alliages personnalisés. En utilisant à la fois des poudres élémentaires et des poudres mélangées pré-alliées, la liberté illimitée des compositions permet de développer des alliages jusqu'ici inexplorés par le biais de l'AM.
Propriétés de poudres de molybdène et de titane
Poudre de molybdène
| Propriétés physiques | |
|---|---|
| Densité | 10,22 g/cm3 |
| Point de fusion | 2610°C |
| Conductivité thermique | 138 W/mK |
| Résistivité électrique | 5,5 μΩ-cm |
| Coefficient de dilatation thermique | 5,3 μm/m-°C |
| Propriétés mécaniques | |
|---|---|
| Dureté | ~300 HV |
| Résistance ultime à la traction | 600-800 MPa |
| Limite d'élasticité (décalage de 0,2%) | 500+ MPa |
| Élongation | 30-50% |
| Module d'élasticité | 325 GPa |
La poudre de molybdène permet de fabriquer des alliages extrêmement durs et résistants à la chaleur à l'aide des techniques d'AM. Les pièces conservent une grande résistance dans des conditions d'oxydation, de corrosion et d'usure par frottement à des températures élevées dépassant 1000°C.
Poudre de titane Ti-6Al-4V
| Propriétés physiques | Valeurs |
|---|---|
| Densité | 4,43 g/cm3 |
| Point de fusion | 1604-1660°C |
| Conductivité thermique | 7,2 W/mK |
| Résistivité électrique | 170 μΩ-cm |
| Coefficient de dilatation thermique | 8,6 μm/m-°C |
| Propriétés mécaniques | Tel que construit | Recuit |
|---|---|---|
| Résistance à la traction | 1050 MPa | 950 MPa |
| Limite d'élasticité (décalage de 0,2%) | 900 MPa | 850 MPa |
| Élongation | ~15% | ~20% |
| Dureté | ~350 HV | ~300 HV |
L'équilibre subtil entre une résistance élevée et une ductilité convenable en fait un alliage aérospatial extrêmement populaire pour les pièces imprimées critiques dans les moteurs de fusée, les cellules et les turbines.
En mélangeant des poudres de molybdène et de titane dans des proportions différentes, il est possible de combiner leurs propriétés dans des alliages personnalisés.
Applications
Les poudres de molybdène et de titane permettent d'obtenir des pièces métalliques AM de haute performance adaptées aux environnements extrêmes :
Pétrole et gaz
- Pompes et vannes de fracturation exposées à des fluides abrasifs à des pressions et températures élevées
- Tuyauterie résistante à la corrosion pour les acides, les gaz et les saumures des puits de pétrole
Aérospatiale
- Aubes et pales de turbines d'avion fonctionnant à plus de 1000°C pour une meilleure efficacité énergétique
- Supports légers pour la cellule et le moteur, avec une résistance spécifique accrue
Automobile
- Réduction du poids des bielles, des arbres de transmission et des composants du châssis
- Outils de soudage par friction-malaxage pour panneaux de carrosserie fabriqués
Médical
- Implants orthopédiques à module élastique semblable à celui de l'os
- Dispositifs bio-interactifs résistants à la corrosion
Industriel
- Bras robotiques légers avec un meilleur rapport poids/résistance
- Matériel de production d'énergie stable sur le plan dimensionnel
En surmontant les limites du traitement conventionnel, l'AM avec le molybdène et le titane permet d'obtenir des structures de haute performance de nouvelle génération. Les pièces présentent des gains marqués en termes de performances sous l'effet des contraintes thermiques, mécaniques et chimiques.
Spécifications des poudres de molybdène et de titane
Les poudres de molybdène et de titane doivent répondre à des exigences chimiques précises et à des spécifications de qualité rigoureuses pour être utilisées dans la fabrication additive, conformément aux normes acceptées par l'industrie :
Normes de pureté chimique
| Qualité de la poudre | Standard |
|---|---|
| Molybdène | ASTM B393 |
| Titane Ti-6Al-4V | ASTM F2924 |
| Titane Ti-6Al-7Nb | ASTM F3001 |
Caractéristiques typiques des poudres
| Attribut | Exigences | Méthodes d'essai |
|---|---|---|
| Forme des particules | Principalement sphérique | Imagerie SEM selon ASTM B822 |
| Densité apparente | 2 à 5 g/cc | MPIF 04 ou ASTM B212 |
| Débit | >30 secondes pour l'essai de débit de Hall | ASTM B213 |
| Distribution de la taille des particules | D10, D50, D90 optimisés pour le processus AM | ASTM B822 |
| Perte au feu (LOI) | Faible teneur en oxygène/azote | Analyse de la fusion des gaz inertes |
| Microstructure | Sans défaut, sans satellite | MEB à fort grossissement |
Les exigences visent à garantir un comportement de fusion uniforme, des constructions sans défaut et des propriétés reproductibles des pièces finales.
Fournisseurs mondiaux
De nombreux fabricants établis fournissent des poudres de molybdène et de titane pour les applications AM :
Poudre de molybdène
| Entreprise | Marques | Méthode de production |
|---|---|---|
| H.C. Starck | Mo | Électrolytique |
| Molymet | PureMo | Réduction de l'hydrogène |
| Plansee | Poudre de molybdène | Réduction du calcium |
| Midwest Tungsten | TeroMoly | Réduction du calcium |
Poudre de titane
| Entreprise | Années d'études proposées | Méthodes de production |
|---|---|---|
| AP&C | Ti-6Al-4V, autres alliages de Ti | Atomisation par plasma |
| Additif pour charpentier | Ti-6Al-4V | Atomisation par plasma |
| Sandvik | Ti6Al4V ELI, Ti6Al4V ELI-0406 | Atomisation par plasma |
| Tekna | Ti-6Al-4V, Ti 6Al-7Nb | Atomisation par plasma |
| TLS Technik | Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI, Ti Grade 23 | Atomisation de gaz, de plasma |
Les producteurs de poudres métalliques bien établis ainsi que les fabricants de poudres AM spécialisés fournissent ces matériaux selon les spécifications exigeantes de l'industrie.
Fixation des prix des poudres de molybdène et de titane
Il existe des indicateurs de prix publiés pour les poudres de molybdène et de titane, qui sont des matériaux largement utilisés dans l'AM des métaux :
Poudre de molybdène
| Taille des particules | Fourchette de prix |
|---|---|
| 10-45 μm | $40 - $60 par kg |
| 15-53 μm | $50 - $70 par kg |
| Dimensions sur mesure | > $100 par kg |
Poudre de titane Ti-6Al-4V
| Taille des particules | Fourchette de prix |
|---|---|
| 15-45 μm | $150 - $450 par kg |
| 45-100 μm | $100 - $350 par kg |
| Dimensions sur mesure | > $500 par kg |
Les prix dépendent de la qualité, de la taille du lot, de la plage de distribution, de l'atomisation par plasma ou par gaz et du volume d'achat. Les prix des grandes quantités et des contrats sont généralement négociés directement avec les fournisseurs.
Avantages et inconvénients des alliages de molybdène et de titane pour l'AM
Pour
- Performances exceptionnelles à haute température
- Amélioration de la résistance et de la rigidité spécifiques
- Résistant aux charges thermiques et de fatigue
- Les canaux de refroidissement complexes intègrent la résistance et le transfert de chaleur
- Les assemblages consolidés réduisent le nombre de composants
- Des délais de développement plus courts que pour les pièces moulées
- Alliages sur mesure avec des compositions adaptées aux besoins
- Matériaux réactifs traités sans contamination
Cons
- Coût plus élevé que les alliages standard
- La difficulté d'impression impose une optimisation rigoureuse des paramètres
- Un post-traitement peut être nécessaire pour obtenir les propriétés finales.
- Anisotropie due à la construction en couches
- Absence de normes en matière de conception et de matériaux
- Les poudres réactives nécessitent un stockage et une manipulation contrôlés
Grâce à la poursuite de la recherche et de la qualification, l'AM des métaux permet au molybdène et au titane de réaliser leur potentiel dans la conception de structures hautes performances plus légères et plus résistantes.
Comment les poudres de molybdène et de titane sont-elles fabriquées ?
Des procédés avancés d'atomisation au gaz permettent de fabriquer des poudres métalliques fines avec un contrôle précis des caractéristiques critiques telles que la forme des particules, la gamme des tailles et la pureté chimique.
Atomisation des gaz
Les lingots de haute pureté sont fondus par induction dans une atmosphère inerte et le flux de métal liquide est versé dans des cuves d'atomisation spécialisées. De puissants jets d'argon ou d'azote atomisent le métal en fines gouttelettes qui se solidifient rapidement en poudre.
En optimisant les paramètres du flux de gaz et les taux de refroidissement, on obtient des particules sphériques avec la distribution granulométrique souhaitée. La poudre est ensuite tamisée en fonction des différentes classifications de taille requises pour les divers processus d'AM.
Traitement supplémentaire
D'autres mesures peuvent être prises pour améliorer les propriétés de la poudre : dégazage pour abaisser les niveaux d'oxygène, recuit pour réduire les contraintes internes dues à une solidification rapide et mélange avec d'autres fractions de poudre pour obtenir des gammes de tailles spécifiques.
Les poudres sont finalement emballées sous atmosphère inerte pour éviter l'oxydation avant d'être expédiées aux clients. Les protocoles de manipulation et de stockage empêchent l'absorption d'humidité ou la contamination pendant le traitement AM des métaux en aval.
Fusion de molybdène et de titane par jet de liant ou par lit de poudre
Les alliages de molybdène et de titane peuvent être imprimés à la fois par jet de liant et par fusion sur lit de poudre :
| Aspect | Jetting de liant | Fusion de lits de poudre |
|---|---|---|
| Méthode de construction | Liants liquides | Fusion par laser/faisceau d'électrons |
| Résolution | ~100 μm | ~50 μm |
| Porosité | Plus élevé, nécessite une infiltration | Plus faible, densité de 99% |
| Finition de la surface | Brut, doit être usiné | Modéré, peut nécessiter une finition |
| Propriétés mécaniques | Faible, varie selon la partie | Plus haut, plus uniforme |
| Précision dimensionnelle | ±0,3% avec rétrécissement | ±0,1% ou mieux |
| Post-traitement | Déliantage, frittage, HIP | Enlèvement du support, traitement thermique |
| Taille du bâtiment | Échelle industrielle | Chambres plus petites |
| Exigences temporelles | Jours | Heures jusqu'à 1-2 jours |
| Économie | Réduction du coût des pièces, augmentation du volume | Volume plus faible, matériel plus coûteux |
Le jet de liant convient aux modèles de conception en raison de sa rapidité et de son faible coût. La fusion sur lit de poudre permet de créer des pièces finales très fidèles aux propriétés supérieures.
Alliages de molybdène et de titane - Perspectives
Le molybdène et le titane sont recherchés individuellement pour leurs capacités à haute température et leur rapport résistance/poids respectivement. En combinant ces deux éléments, l'AM permet d'obtenir des compositions d'alliage uniques aux propriétés personnalisables.
Groupes d'alliages potentiels
- Intermétalliques Mo-Ti pour une résistance à très haute température
- Siliciures de Mo-Ti présentant une résistance à l'oxydation supérieure à 1500°C
- Borures de Mo-Ti d'une extrême dureté à haute température
- Carbures Mo-Ti correspondant aux niveaux de dureté de la céramique
Ces matériaux avancés surmontent les obstacles du traitement traditionnel grâce au contrôle de la composition et à la manipulation de la microstructure rendus possibles par les processus d'AM des métaux.
Applications cibles
- Véhicules aérospatiaux hypersoniques et structures de rentrée
- Pièces de la section chaude des turbines d'avion et des moteurs de fusée de la prochaine génération avec des températures de fonctionnement doublées
- Groupes motopropulseurs automobiles légers avec des températures d'échappement élevées
- Internes de réacteurs nucléaires fonctionnant en permanence dans des flux de chaleur intensément radioactifs
- Éléments et appareils de chauffage pour fours industriels augmentant les températures et l'efficacité
La fabrication additive élimine les contraintes liées au molybdène et au titane, ouvrant de nouveaux horizons pour les applications dans des environnements extrêmes et à haute performance.
FAQ
Q : À quoi sert le molybdène ?
R : Grâce à ses excellentes propriétés à haute température, le molybdène est largement utilisé comme alliage pour renforcer les aciers résistants à la chaleur et les superalliages utilisés dans l'aérospatiale, la production d'énergie, la construction de fours, les composants de missiles et d'autres applications exigeantes.
Q : Le molybdène est-il toxique ?
R : Le molybdène élémentaire et ses alliages présentent généralement de faibles niveaux de toxicité et sont sans danger pour l'ingénierie. Cependant, certains composés de molybdène, lorsqu'ils sont inhalés pendant de longues périodes, peuvent avoir des effets cancérigènes potentiels justifiant l'utilisation d'un équipement de protection lors de la manipulation et de l'usinage.
Q : Le titane est-il cher ?
R : Les alliages de titane ont un coût de matière première plus élevé que les aciers et les alliages d'aluminium. Cependant, avec des ratios d'achat au vol proches de 1 pour la fabrication par AM, les coûts des pièces finies en titane peuvent être économiques pour des industries comme l'aérospatiale désireuses d'adopter de nouvelles technologies et de nouvelles conceptions.
Q : Qu'est-ce qui fait du titane un matériau idéal pour les implants ?
R : La biocompatibilité des alliages de titane, associée à leur rapport résistance/poids élevé, les rend idéaux pour remplacer l'os humain. Le module d'élasticité peut être réduit pour se rapprocher de celui de l'os en l'alliant avec des stabilisateurs bêta biocompatibles comme le Nb et le Ta pour améliorer la durée de vie des implants porteurs.
Q : Quel est le procédé d'impression 3D utilisé pour le molybdène et le titane ?
R : Pour les pièces à usage final de haute performance, les techniques de fusion sur lit de poudre telles que la fusion sélective par laser (SLM) et la fusion par faisceau d'électrons (EBM) sont principalement utilisées. La source de chaleur à haute température permet d'obtenir des pièces d'une densité proche de la pleine densité avec des propriétés supérieures adaptées aux applications d'ingénierie.
Q : Pourquoi mélanger le molybdène à la poudre de titane ?
R : Le molybdène améliore la dureté à haute température, la résistance au fluage et les propriétés similaires à celles de l'acier à outils, tandis que le titane apporte une excellente résistance à la corrosion et des attributs de faible densité. Ensemble, les alliages personnalisés fabriqués en mélangeant directement leurs poudres par AM constituent la combinaison idéale pour les applications avancées.
