Technologia formowania wtryskowego proszków metali ze stopów tytanu i tytanu

Technologia formowania wtryskowego proszków metali ze stopów tytanu i tytanu

 

Firma Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. osiągnęła masową produkcję dzięki ciągłym badaniom i rozwojowi, innowacjom, testom, procesom formowania wtryskowego metali tytanowych i stopów tytanu w 2008 roku. Jeśli są klienci w potrzebie, wyślij e-mail: business- mall@zw-jm.com Przekaż go naszej firmie, a profesjonalni inżynierowie odpowiedzą Ci w odpowiednim czasie w ciągu najkrótszego dnia roboczego,

Streszczenie

Tytan i stopy tytanu mają zarówno niski ciężar właściwy, wysoką wytrzymałość właściwą, doskonałą biokompatybilność, jak i dobrą odporność na korozję i mają ogromny potencjał zastosowań w dziedzinach takich jak lotnictwo, biomedycyna, chemia i motoryzacja.

Technologia formowania wtryskowego proszków metali ze stopów tytanu i tytanu (MIM) może zapewnić tanie i wielkoskalowe przygotowanie małych i średnich produktów tytanowych o złożonych kształtach, co ma ogromne znaczenie dla promowania produkcji i stosowania wyrobów z tytanu i stopów tytanu .

W artykule przedstawiono charakterystykę i zalety formowania wtryskowego proszków metali tytanu i stopów tytanu. Podsumowano postęp badań technologii formowania wtryskowego proszków metali tytanu i stopów tytanu z aspektów surowców proszkowych, układów wiążących, formowania wtryskowego proszków, odklejania i spiekania. W odpowiedzi na główne problemy istniejące obecnie analizuje kierunek badań i perspektywy rozwoju wtrysku proszków metali tytanu i stopów tytanu.

Słowa kluczowe tytan; Stopu tytanu; Formowanie wtryskowe; Numer klasyfikacyjny postępu badań TF125.2; TF125.2 plus 2

(Od redakcji: pominięto wprowadzenie w języku angielskim…)

Odkąd w latach czterdziestych XIX wieku opanowano przemysłową metodę otrzymywania metalicznego tytanu z rudy, tytan i stopy tytanu są szeroko stosowane w obiektach przemysłowych i handlowych. Jednak w porównaniu ze stalą jego roczna produkcja jest wciąż niewielka, a ze względu na wysokie koszty surowców zakres jego zastosowania jest w większości ograniczony do przemysłu morskiego, przemysłu chemicznego, przemysłu lotniczego, urządzeń medycznych, implantów, towarów luksusowych i innych gałęzi przemysłu z wysokimi wymaganiami dotyczącymi właściwości materiału.

Obecnie, oprócz wysokich cen surowców, trudność obróbki i formowania tytanu i stopów tytanu znacznie ogranicza zakres ich zastosowania.

Skrawalność tytanu i stopów tytanu jest słaba, a tradycyjne metody obróbki wymagają drogiego sprzętu i niskiej wydajności przetwarzania, co znacznie zwiększa koszty ich przetwarzania; Struktura części tytanowych, które można obrabiać, jest bardzo prosta, a ze względu na ograniczenia metod obróbki, większość z nich nie może osiągnąć rozwiązań konstrukcyjnych, które mogą zmaksymalizować wydajność materiału.

W tym kontekście formowanie wtryskowe metali (MIM), które ma zalety wysokiego wykorzystania surowców i niskich kosztów produkcji seryjnej, stało się idealnym procesem przetwarzania tytanu i stopów tytanu [1-4].

Proces formowania wtryskowego proszków metali zwykle obejmuje kilka podstawowych procesów, takich jak przygotowanie materiału wtryskowego, formowanie wtryskowe, odklejanie, spiekanie i niezbędna obróbka końcowa.

Jak pokazano na fig. 1, sproszkowany metal i organiczne składniki wiążące są najpierw mieszane, mieszane i granulowane w celu przygotowania materiału do iniekcji. Następnie materiał wtryskowy jest wtryskiwany do formy w określonej temperaturze i ciśnieniu, schładzany i rozformowywany w celu uzyskania surowego produktu o określonym kształcie. Następnie, w procesie oddzielania, wszystkie składniki organiczne, z wyjątkiem proszku metalicznego, są usuwane z surowego produktu, tworząc oddzielający się zielony produkt. Na koniec przeprowadza się spiekanie w celu uzyskania pożądanej wydajności produktu.

Technologia formowania wtryskowego proszków metali osiągnęła organiczne połączenie formowania wtryskowego i tradycyjnej technologii metalurgii proszków, pokonując wady wysokich kosztów obróbki, prosty kształt tradycyjnego procesu formowania, niską wydajność produkcji procesu prasowania izostatycznego i formowania wtryskowego, wiele wad w tradycyjnym proces odlewania i niska tolerancja dokładności. To znacznie promowało produkcję i stosowanie wyrobów z tytanu i stopów tytanu (jak pokazano na rysunku 2).

1 Schemat przepływu tytanu i stopów tytanu produkowanych przez MIM

 

2 Zastosowania tytanu i stopów tytanu produkowanych przez MIM

 

Stan badań nad formowaniem wtryskowym proszków metali z tytanu i stopów tytanu

Badania wykazały, że na właściwości mechaniczne, odporność na korozję i właściwości biomedyczne produktów formowanych wtryskowo z tytanu i stopów tytanu duży wpływ mają cztery aspekty: gęstość względna, zawartość zanieczyszczeń, pierwiastki stopowe i mikrostruktura.

Po spiekaniu produktu do formowania wtryskowego jego względna gęstość wynosi około 95 procent i będzie pewna część resztkowych porów.

Te resztkowe pory staną się źródłem pęknięć, gdy próbka pęknie i będą miały większy wpływ na wytrzymałość na rozciąganie, plastyczność, odporność na pękanie, wytrzymałość zmęczeniową i inne właściwości mechaniczne materiału. Dlatego im wyższa gęstość względna wyrobów formowanych wtryskowo z tytanu i stopów tytanu, tym lepsze są ich właściwości mechaniczne.

Pierwiastki zanieczyszczające, takie jak tlen, węgiel, azot, wodór itp., Zwłaszcza tlen, mogą zwiększać granicę plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie i twardość materiałów, zmniejszając plastyczność. W temperaturze spiekania pierwiastki zanieczyszczające rozpuszczają się w osnowie tytanu. Ze względu na brak skutecznych środków redukujących trudno jest kontrolować pierwiastki domieszkowe w tytanie i stopach tytanu podczas procesu spiekania. Wymaga to minimalizacji ilości tlenu dodawanego do surowców i każdego kolejnego etapu procesu.

Mikrostruktura tytanu i stopów tytanu, w tym wielkość ziarna i skład fazowy po spiekaniu, może wpływać na właściwości mechaniczne materiału. Ogólnie rzecz biorąc, formowane wtryskowo materiały z tytanu i stopów tytanu o doskonałych parametrach charakteryzują się dużą gęstością, niską zawartością zanieczyszczeń (zwykle zawartości tlenu), odpowiednim składem stopu, drobnym ziarnem podczas zagęszczania i mniejszą liczbą defektów [5].

1.1 Surowce proszkowe

Wybór surowców proszkowych jest ważnym krokiem w procesie formowania wtryskowego proszku tytanu. Rozkład wielkości cząstek i morfologia proszku bezpośrednio wpływają na płynność i formowalność mieszanki do formowania wtryskowego, zachowanie kształtu surowej masy podczas procesu oddzielania i szybkość skurczu podczas procesu spiekania.

Powszechnie stosowane metody otrzymywania proszków tytanu i stopów tytanu to metoda mechaniczna i metoda atomizacji.

Kształt proszku otrzymanego metodami mechanicznymi, takimi jak mielenie kulowe, mielenie kulowe z mieszaniem, mielenie kulowe z wysokoenergetycznymi wibracjami i proszkowanie strumieniem powietrza, jest ogólnie nieregularny lub kanciasty.

Proces odwodorniania przez uwodornienie (HDH) wykorzystuje oczywistą charakterystykę kruchości tytanu po absorpcji wodoru. Jest on kruszony przez mielenie mechaniczne lub kruszenie strumieniem powietrza, a następnie poddawany odwodornianiu w celu uzyskania proszku tytanu o nieregularnych kształtach, jak pokazano na rysunku 3 (a). Metodę atomizacji (taką jak atomizacja gazu obojętnego, atomizacja elektrody obracającej się wiązką plazmy i atomizacja gazu topiącego indukcyjnie elektrodą) można przeprowadzić w całkowicie obojętnej atmosferze, aby zachować wysoką czystość surowego proszku. Przygotowany proszek ma kulisty kształt i dość szeroki rozkład wielkości cząstek, z dobrą zdolnością układania w stosy, jak pokazano na fig. 3 (b).

Ponadto, w przeciwieństwie do technologii produkcji proszku stalowego, produkcja drobniejszego proszku tytanowego jest trudniejsza. Wraz ze zmniejszaniem się wielkości cząstek zwiększa się powierzchnia właściwa, a także zwiększa się zawartość pierwiastków zanieczyszczających.

Zazwyczaj MIM wykorzystuje proszek tytanu o wielkości cząstek mniejszej niż 45 μm. Gdy cząstki proszku są zbyt duże, proces wtrysku jest podatny na oddzielanie się spoiwa proszku i powstawanie defektów. Konieczne jest pełne uwzględnienie projektu składu materiału wtryskowego oraz projektu formy [5].

Rys.3 HDH (a) i rozpylony gazem (b) proszek tytanu stosowany w MIM

1.2 Klej

Spoiwo jest nośnikiem, który występuje etapami w całym procesie formowania wtryskowego, a jego główną funkcją jest równomierne wypełnienie formy proszkiem w stanie płynnym, nadanie pożądanego kształtu i utrzymanie go aż do etapu wstępnego spiekania.

Spoiwo w procesie formowania wtryskowego powinno charakteryzować się: niską temperaturą topnienia, dobrą zwilżalnością cząstek proszku oraz szybkim krzepnięciem, co jest wygodne do przygotowania materiałów wtryskowych; Ma dobrą płynność w temperaturze wtrysku; Po uformowaniu można go łatwo usunąć z kęsa, przy mniejszej ilości pozostałości materiału oraz nietoksycznych i niekorozyjnych produktach rozkładu.

Ogólnie rzecz biorąc, składniki spoiwa obejmują co najmniej główny składnik i składniki drugorzędne:

Główny składnik służy do zwilżania cząstek proszku metalicznego i zapewnienia niezbędnej sypkości, podczas gdy składnik drugorzędny zapewnia, że ​​surowa bryła wtrysku ma nadal wystarczającą wytrzymałość podczas procesu wtrysku i po usunięciu głównego składnika spoiwa.

W większości przypadków system wiążący zawiera trzeci składnik, taki jak środki powierzchniowo czynne, w celu poprawy kompatybilności proszków metali i polimerów.

Zgodnie z różnymi głównymi składnikami składników spoiwa, powszechnie stosowane systemy wiążące można podzielić na systemy na bazie wosku, systemy na bazie związków aromatycznych, systemy polioksymetylenowe i systemy na bazie wody.

1.2.1 Spoiwo na bazie wosku

Powszechnie stosowane woski do spoiw systemowych na bazie wosku obejmują kilka krótkołańcuchowych polimerów, takich jak parafina, wosk pszczeli, wosk palmowy itp. Mają niską temperaturę topnienia, dobrą zwilżalność, krótkie łańcuchy cząsteczkowe, niską lepkość i mniejsze zmiany objętości podczas rozkładu w porównaniu z innymi polimerów, co sprzyja zapewnieniu dokładności wymiarowej produktu.

Powszechnie stosowane drugorzędne składniki systemów na bazie wosku obejmują polipropylen, polietylen, kopolimer etylen-octan winylu i polimetakrylan metylu o dużej masie cząsteczkowej. Oprócz wosku i spoiw szkieletowych, zwykle dodaje się środek powierzchniowo czynny, taki jak kwas stearynowy, aby poprawić kompatybilność między proszkiem a polimerem.

Najwcześniejszym opisanym w literaturze systemem wiążącym na bazie wosku był Kaneko i in. [6], w którym jako spoiwo zastosowano kopolimer metakrylanu polibutylu, etylenu i octanu winylu, ftalan dibutylu oraz proszek tytanu do przygotowania materiału iniekcyjnego. Obciążenie proszkiem wynosiło 56 proc., a po odspojeniu spiekano go w temperaturze 1300 st. C i pod ciśnieniem 1,3 Pa. Otrzymana spiekana próbka miała gęstość względną 94 proc. i wytrzymałość na ściskanie 1000 MPa, ale ze względu na dużą zawartość zanieczyszczeń nie miał prawie żadnej plastyczności.

Kato i in. [7] badali dwuetapowy proces odklejania łączący odklejanie próżniowe i odklejanie w atmosferze argonu, co znacznie obniżyło zawartość węgla i tlenu w spiekanych częściach.

Guo i in. [8-9] użył glikolu polietylenowego o lepszej zwilżalności w celu zastąpienia części parafiny i opracował system wiążący kwas parafinowy polietylen polietylen polipropylen stearynowy, który był używany do formowania wtryskowego czystych stopów tytanu i tytanowo-aluminiowo-wanadowych. Spiekane części miały dobre zachowanie kształtu i ruch falowy o małym calu. Ze względu na redukcję zawartości tlenu i węgla wydajność została znacznie poprawiona, co skutkowało dobrą wydajnością.

Ponadto badacze wykorzystali wosk palmowy jako częściowy zamiennik parafiny [10-13] oraz olej palmowy jako całkowity zamiennik parafiny [14] w systemie wiążącym na bazie wosku, który ma dobre właściwości formujące. Jednak ze względu na pierwiastek tlenu zawarty w samym wosku palmowym, jest on również źródłem dotlenienia,

Obecnie optymalny układ spoiwa na bazie wosku opisany w literaturze został zaproponowany przez Friederici i in. [15]. Podczas procesu eksperymentalnego utworzono cztery proporcje spoiwa, dostosowując proporcje parafiny, polietylenu o małej gęstości i kwasu stearynowego, i na podstawie tych proporcji formowano, oddzielano i spiekano różne materiały iniekcyjne. Uzyskano próbkę o gęstości względnej 98,1 proc. i składzie chemicznym spełniającym wymagania wtórnego czystego tytanu.

Systemy spoiwa na bazie wosku odgrywają ważną rolę w formowaniu wtryskowym, ale ze względu na niską skuteczność usuwania spoiwa przy użyciu rozpuszczalników organicznych, naukowcy nieustannie wprowadzają innowacje i opracowują nowe systemy spoiwa.

1.2.2 Spoiwa na bazie związków aromatycznych

Związki aromatyczne (takie jak naftalen, antracen itp.) mogą rozpuszczać się w bardzo niskich temperaturach, aw warunkach niskiego ciśnienia mogą bezpośrednio przechodzić ze stanu stałego w gaz poprzez sublimację w temperaturach poniżej ich temperatury topnienia. Zastosowanie związków aromatycznych jako składników spoiwa może znacznie poprawić wydajność procesu rozdzielania.

Weila i in. [16-18] wykorzystał związki aromatyczne do formowania wtryskowego proszku tytanu. W swoich badaniach gęste stopy tytanowo-aluminiowo-wanadowe i porowate stopy tytanowo-aluminiowo-wanadowe przygotowano przy użyciu naftalenu, 1% udziału masowego kwasu stearynowego i 3–12% udziału masowego kopolimeru octan etylenu z etylenem jako spoiw.

W trakcie eksperymentu, ze względu na bezpośrednią sublimację naftalenu do stanu gazowego, podczas procesu rozdzielania nie pojawiła się faza ciekła, a objętość próbki nie uległa zmianie. W przeciwieństwie do odtłuszczania rozpuszczalnikowego, energia powierzchniowa związana z metodą sublimacji jest stosunkowo niska, co oznacza, że ​​można uniknąć typowych wad odtłuszczania, takich jak deformacja i pękanie. Ostatecznie gęstość względna spiekanej próbki wyniosła 96,6 procent, a zawartość węgla nie wzrosła.

Chociaż system klejący osiągnął doskonałą wydajność produktu, związki aromatyczne w systemie nadal mają wpływ na środowisko i zdrowie fizyczne i nie były dalej badane ani stosowane na dużą skalę.

1.2.3 Spoiwo na bazie polioksymetylenu

Poliformaldehyd został po raz pierwszy zastosowany w systemie wiążącym przez firmę Celanese Corp w 1984 r., a następnie opracowany przez firmę BASF, co umożliwiło, aby składniki spoiwa nie zawierały wosku ani składników o małej masie cząsteczkowej [19].

Poliformaldehyd jest głównym składnikiem tego systemu wiążącego, a polietylen (PE) jest stopniowo dodawany jako spoiwo szkieletowe podczas późniejszego procesu opracowywania.

Obecnie firma BASF tworzy materiały do ​​formowania wtryskowego oparte na tym systemie spoiwa, obejmujące wiele materiałów, takich jak stal niskostopowa, stal nierdzewna, stal narzędziowa, tytan i stopy tytanu oraz ceramika.

Istotną cechą poliformaldehydu jest jego wrażliwość na odczynniki kwaśne i podatność na kwaśny rozkład. Dlatego surową masę można poddać obróbce w kwaśnej atmosferze poniżej jej temperatury mięknięcia. Proces polioksymetylenu odbywa się w stanie stałym, unikając wad, takich jak pęknięcia i ekspansja spowodowana gotowaniem składników spoiwa. Co więcej, odkształcenie jest niewielkie, zachowanie kształtu jest dobre, a kontrola rozmiaru jest dokładna.

Ponadto, ze względu na dużą szybkość dyfuzji, w porównaniu z innymi metodami odtłuszczania, szybkość odtłuszczania jest wyższa, osiągając 10-krotność szybkości tradycyjnego odklejania rozpuszczalnikiem, jednocześnie pozwalając na odklejanie grubszych cząstek [20].

Chociaż system wiążący na bazie polioksymetylenu ma wiele zalet wymienionych powyżej, ma on również wiele wad.

W procesie katalitycznego odklejania często jako katalizator stosuje się silnie korozyjne opary kwasu azotowego. Z jednej strony poliformaldehyd może rozkładać się podczas przygotowywania materiałów wtryskowych i etapów formowania wtryskowego, tworząc wysoce toksyczny formaldehyd. Ponadto produkty rozkładu muszą być usuwane poprzez dwuetapowe spalanie. Z drugiej strony, kwaśna atmosfera, która odgrywa rolę katalityczną, ma większą korozyjność dla sprzętu, co wymaga większych inwestycji.

1.2.4 Spoiwo na bazie wody

Rozpuszczalniki rozdzielające (takie jak heptan i heksan) lub produkty rozkładu składników środka wiążącego (monomery związków aromatycznych i formaldehyd) stosowane w wyżej wymienionych kilku systemach środka wiążącego są mniej lub bardziej szkodliwe dla środowiska i operatorów. Dlatego rozwój i wykorzystanie przyjaznych dla środowiska rozpuszczalnikowych systemów wiążących ma ogromne znaczenie.

Istniejący, przyjazny dla środowiska system wiążący wykorzystuje wodę jako rozpuszczalnik rozdzielający.

Zgodnie z różnymi rolami wody w przygotowaniu materiałów iniekcyjnych, ten rodzaj systemu wiążącego można podzielić na żelowe i nieżelowe.

Powszechnym polimerem stosowanym w systemach nie opartych na żelu jest glikol polietylenowy, który ma dobre właściwości i jest tani oraz łatwy do zdobycia. Glikol polietylenowy o niskiej masie cząsteczkowej można szybko i prawie całkowicie usunąć w temperaturze 60 stopni C, przy powszechnie stosowanym zakresie masy cząsteczkowej około 500-2000. Powszechnie stosowanym spoiwem szkieletowym jest polimetakrylan metylu o masie cząsteczkowej 10 000.

Sidambe i in. [21] użyli rozpuszczalnego w wodzie składnika wiążącego glikolu polietylenowego, polimetakrylanu metylu kwasu stearynowego do badań przy wskaźniku obciążenia proszkiem wynoszącym 69 procent.

W eksperymencie glikol polietylenowy został całkowicie usunięty w wodzie o temperaturze 55 stopni C po 5 godzinach, a polimetakrylan metylu został całkowicie usunięty w przepływie gorącego, rozszczepiającego gazowego argonu o temperaturze 440 stopni C. Końcowa zawartość tlenu (ułamek masowy) przygotowanej próbki wynosi 0,2%, z odpowiednią wytrzymałością na rozciąganie 850-880 MPa i wydłużeniem 8,5% -16%, co odpowiada normie ASTM klasy 5 Ti.

Większość spoiw żelowych to substancje naturalne, takie jak celuloza, agar skrobiowy itp.

Tokura i in. [22] użyli agaru do zastąpienia spoiw polimerowych w formowaniu wtryskowym proszku tytanu i zbadali stabilność termiczną, rozpuszczalność i lepkość materiału wtryskowego tego układu wiążącego.

Suzuki [24] i in. przygotował 97,3 procent próbek o gęstości względnej, używając spoiwa agarowego (masa cząsteczkowa 82 500) zawierającego 4 procent frakcji masowej. Ułamki masowe węgla i tlenu w próbkach wynoszą odpowiednio 0,33 procent i 0,3 procent. Granica plastyczności wynosi 539 MPa, a wydłużenie około 10%. Wyniki eksperymentów pokazują, że przy użyciu agaru o dużej masie cząsteczkowej wytrzymałość żelu wzrasta, ale resztkowa zawartość węgla i tlenu jest wysoka, co skutkuje niższą gęstością spiekania, wytrzymałością na rozciąganie i wydłużeniem spiekanych kawałków.

Spoiwo na bazie wody bez żelu jest łatwe do kontrolowania, sprzęt do odtłuszczania jest tańszy niż inne metody odtłuszczania, a spoiwo jest biodegradowalne i nietoksyczne dla mikroorganizmów, ale oczyszczanie ścieków w celu odtłuszczania wymaga dodatkowych kosztów.

Trudno jest kontrolować rozmiar końcowych części wytwarzanych przez związek do formowania wtryskowego na bazie żelu, a kompozycja nie jest wystarczająco stabilna, więc warunki procesu i kontrola jakości są trudne, a dalsze badania i optymalizacja są nadal potrzebne.

1.3 Formowanie wtryskowe, odklejanie i spiekanie

Parametry procesu formowania wtryskowego są określane przez właściwości materiału wtryskowego oraz kształt geometryczny docelowego produktu.

Jak wspomniano wcześniej, wielkość cząstek proszku tytanu jest zwykle gruba, co jest podatne na oddzielanie spoiwa proszkowego w porównaniu z formowaniem wtryskowym materiału ze stali nierdzewnej. Przed rozpoczęciem procesu formowania wtryskowego należy opracować odpowiednie parametry procesu formowania w oparciu o właściwości reologiczne materiału wtryskowego w celu zmniejszenia defektów formowanego wlewka.

Wang i in. [25] przygotowali materiały do ​​formowania wtryskowego przy użyciu stopu Ti{1}}Al-4V połączonego z systemem spoiwa na bazie wosku proszkowego oraz przetestowali i przeanalizowali właściwości reologiczne materiałów wtryskowych przy różnych ilościach i temperaturach obciążenia proszkiem, dając podstawę do opracowania odpowiednich parametrów formowania dla procesu wtrysku.

Park i in. przygotowali materiały do ​​iniekcji przy użyciu proszku tytanu w aerozolu, proszku tytanu HDH i sferoidyzowanego proszku tytanu HDH oraz zmierzyli ich właściwości reologiczne i zachowanie podczas oddzielania. Zaproponowali wskaźnik odkształcalności materiału iniekcyjnego i na tej podstawie ocenili jego działanie. Wyniki analiz dostarczyły teoretycznych podstaw do jednoczesnego zastosowania proszku HDH i proszku w aerozolu w układzie materiału wtryskowego.

Barrière i in. [27] zbadali optymalne parametry procesu wytwarzania metalowych części formowanych wtryskowo bez wad io wymaganych właściwościach mechanicznych w oparciu o eksperymentalne i numeryczne procesy symulacyjne. W oparciu o techniki modelowania zastosowano dwufazowe równanie przepływu i nowo opracowany jawny algorytm do przewidywania zjawisk separacji materiałów podczas procesu wtrysku za pomocą symulacji numerycznej.

Chen i in. [28] użyli uwodornionego odwodornionego proszku stopu Ti-6Al-4V i rozpuszczalnego w wodzie spoiwa do przygotowania materiału iniekcyjnego, a następnie zmierzyli szybkość usuwania rozpuszczalnego w wodzie składnika wiążącego, glikolu polietylenowego w próbkach o różnej grubości w różnych temperaturach. Opracowano model matematyczny kontrolowanego dyfuzyjnie rozdzielenia, aby określić mechanizm rozdzielenia układu wiążącego.

Sidambe [29] i inni wykorzystali metody Taguchiego do określenia optymalnej kombinacji temperatury spiekania, czasu, szybkości ogrzewania, atmosfery i innych parametrów.

Ani i in. [30] przygotowali materiał iniekcyjny Ti – 6Al – 4V przy użyciu stearynianu palmowego i polietylenowego układu wiążącego oraz sformułowali optymalny proces produkcyjny metodami Taguchiego. Ostatecznie otrzymano próbkę o granicy plastyczności 934,4 MPa i wydłużeniu 10 procent, a jej ogólne właściwości spełniały wymagania stopu medycznego tytanu ASTM B{6}}.

Obasi i in. [31] przygotowali próbki Ti-6Al-4V o właściwościach spełniających wymagania ASTM B348-02 stopu tytanu gatunku 23 i zbadali wpływ zmian układów podstawowych parametrów procesu na przebieg procesy odtłuszczania i spiekania komponentów MIM w postaci proszku Ti{5}}Al-4V.

Limberga i in. [32] przygotowali Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C przy użyciu mieszaniny proszków pierwiastków podczas procesu formowania wtryskowego i zbadali wpływ czasu spiekania i atmosfery na właściwości rozciągające i mikrostrukturę. Otrzymano próbkę o wytrzymałości na rozciąganie około 630 MPa.

Guo i in. [8-9] przygotował czyste materiały tytanowe i Ti-6Al-4V przy użyciu technologii formowania wtryskowego i zbadał wpływ procesów obróbki cieplnej, takich jak prasowanie izostatyczne na gorąco i wyżarzanie, na właściwości materiał stopowy. Efekt obróbki cieplnej scharakteryzowano jakościowo i ilościowo poprzez badanie mikrostruktury i właściwości mechanicznych, a jej mikrostrukturę przedstawiono na rysunku 4.

Uwaga: materiał iniekcyjny jest przygotowywany przez zmieszanie rozpylonego proszku tytanu, uwodornionego odwodornionego proszku tytanu i systemu wiążącego na bazie wosku. Po formowaniu wtryskowym następuje odklejenie rozpuszczalnikowe w mieszaninie heptanu i etanolu. Spoiwo jest całkowicie usuwane po podgrzaniu do 350, 420 i 600 stopni C przy określonej szybkości ogrzewania, a temperatura spiekania wynosi 1230 stopni C przez 3 godziny. Ostatecznie właściwości wytrzymałościowe spiekanej próbki wyniosły 389-419 MPa, a wydłużenie wyniosło 2-4 procent.

Członkowie naszej grupy badawczej [33] przygotowali próbki czystego tytanu przy użyciu systemu rozpylonego proszku tytanu i rozpuszczalnego w wodzie spoiwa oraz zbadali wpływ temperatury spiekania i czasu przetrzymywania na właściwości próbek czystego tytanu. Proces spiekania prowadzono pod próżnią 10-4-10-3 Pa, przy temperaturze spiekania 1350 stopni C i wydłużeniu 20,3% uzyskanym po wytrzymywaniu przez 3 godziny. Próbki są w pełni zgodne z najlepszą wydajnością metalurgii proszków ASTM F{7}}, przy względnej gęstości 96,9 procent i wytrzymałości na rozciąganie 443 MPa, biomedycznej klasy II czystego tytanu.

4 Mikrostruktury próbek Ti (a) i Ti-6Al{2}}V (b) przygotowanych z surowców na bazie wosku

2 Nowe materiały do ​​formowania wtryskowego z tytanu i stopów tytanu

Tytan i stopy tytanu są obecnie szeroko stosowane w ortopedii, sprzęcie dentystycznym i implantach medycznych. Jednak ze względu na różnice we właściwościach mechanicznych między tytanem a ludzką kością (przy module sprężystości około 20 GPa) na styku kość/implant generowane są efekty ekranowania naprężeń, co może znacznie zagrozić długoterminowym wynikom klinicznym, jak pokazano w Rysunek 5.

Dlatego naukowcy dostosowali właściwości mechaniczne materiałów tytanowych, zmieniając ich strukturę i skład stopu, zbliżając je do struktury i działania naturalnych kości w ludzkim ciele.

5 Porównanie modułu sprężystości biomedycznych stopów tytanu

2.1 Porowate materiały tytanowe i kompozyty tytanowo-ceramiczne

Porowate materiały tytanowe oraz nowe systemy stopów tytanu mają odpowiednią strukturę porów i właściwości mechaniczne, co czyni je idealnymi materiałami na zastępcze implanty ortopedyczne.

Z jednej strony może skutecznie zmniejszyć niedopasowanie naprężeń między implantem a tkanką kostną, zmniejszając w ten sposób efekt ekranowania naprężeń i osiągając długotrwałą i skuteczną funkcję implantu; Z drugiej strony porowata struktura jest niezbędnym warunkiem wzrostu komórek kostnych do korpusu implantu, a wzajemnie połączona porowata struktura może przepuszczać dużą ilość płynów ustrojowych, dodatkowo sprzyjając wzrostowi komórek kostnych.

Gu i in. utworzyli nowy typ stopu TC4 o strukturze otwartych porów, dodając TiH2 jako środek spieniający i aktywator do proszku pierwiastka tytanowo-aluminiowo-wanadowego, o równomiernym rozkładzie wielkości porów i wielkości porów w zakresie od 90 do 190 μm. Porowatość wynosi około 43% ~ 59%, a moduł sprężystości mieści się w zakresie od 5,8 do 9,5 GPa. Silnik i in. [35] przygotowali multimikroporowate stopy tytanu przy użyciu technologii formowania wtryskowego proszków (PIM) w połączeniu z technologią środka porotwórczego i zbadali wpływ ilości środka porotwórczego polimetakrylanu metylu na gęstość, wytrzymałość na ściskanie i moduł sprężystości stopu.

Tuncer i in. [36] wykorzystali system atomizowanego proszku sferycznego, proszku tytanu HDH i spoiwa na bazie wosku do zbadania wpływu początkowego proszku na wydajność końcowego porowatego produktu tytanowego poprzez dodanie pewnej ilości NaCl i KCl jako środków porotwórczych. Ponadto, poprzez dostosowanie ilości czynników porotwórczych, uzyskano porowaty materiał tytanowy o wymaganej porowatości i wielkości porów dla implantów medycznych, a skład chemiczny materiału spełniał normę czystego tytanu trzeciej klasy.

Chen i in. [37] użyli NaCl jako środka porotwórczego i uwodornionego odwodornionego proszku tytanowego na bazie wosku do iniekcji do przygotowania próbek formowanych wtryskowo. Otrzymane próbki miały porowatość 42,4% ~ 71,6% i wielkość porów 300 μm. Jak pokazano na rycinie 6. Regulując ilość użytego NaCl, wewnątrz części iniekcyjnej mogą powstawać połączone ze sobą pory, a ich właściwości mechaniczne są podobne do właściwości kości gąbczastej.

Barbosa i in. [38] jako pierwsi zastosowali proszek Fe22Cr do badania właściwości reologicznych materiałów iniekcyjnych z różnymi układami wiążącymi. Na podstawie wyników testów wydajności dobrano odpowiedni system wiążący na bazie wosku. Następnie połączono proszek Ti i środek porotwórczy NaCl w celu prasowania na gorąco i wieloskładnikowego formowania wtryskowego. Po odtłuszczeniu i spiekaniu przygotowano element implantu kręgosłupa o gęstym rdzeniu i gradiencie porowatości zewnętrznej.

6 Porowaty tytanowy element do formowania wtryskowego z użyciem NaCl jako uchwytu przestrzeni

Hydroksyapatyt (HA), o takim samym składzie chemicznym i strukturze krystalicznej jak naturalna ludzka tkanka kostna, ma wyjątkowe zalety w zastępowaniu i odbudowie kości i zaczyna odgrywać coraz ważniejszą rolę w urządzeniach biomedycznych.

Jednak ze względu na dużą kruchość i słabe właściwości mechaniczne HA nie może być stosowany jako sam element nośny, co skutkuje pojawieniem się nowego rodzaju materiału biomedycznego złożonego z materiałów HA i tytanu.

Thian i in. [39-42] badali otrzymywanie materiałów kompozytowych Ti6Al4V/HA metodą wtrysku. W pierwszej kolejności przygotowano proszek kompozytowy Ti6Al4V/HA metodą zawiesiny ceramicznej. Następnie przygotowany proszek zmieszano z dostępnym w handlu spoiwem PAN{5}}S w celu przygotowania spoiwa iniekcyjnego. Zbadano właściwości reologiczne materiału iniekcyjnego oraz zbadano wpływ szybkości ogrzewania i natężenia przepływu gazu w atmosferze rozszczepiającej na defekty rozklejające, ilość usuwanego spoiwa i zawartość węgla resztkowego podczas procesu rozklejania; Wpływ parametrów procesu spiekania (szybkość nagrzewania, temperatura spiekania, czas przetrzymywania, szybkość chłodzenia itp.) na parametry końcowej próbki, w wyniku czego porowatość wynosi około 50 procent próbki; Ponadto przeanalizowano proces degradacji biologicznej przygotowanego materiału Ti6Al4V/HA w środowisku płynów ustrojowych i scharakteryzowano poprzez wyniki badań właściwości mechanicznych.

2.2 Nowe materiały ze stopu tytanu

Dziedzina biomedyczna, jako ważna gałąź zastosowań materiałów tytanowych, kierunek popytu na jej zastosowanie bezpośrednio wpływa na trend rozwojowy materiałów tytanowych.

Wczesne materiały tytanowe wykorzystywały czysty tytan（ Składają się głównie z faz, ale czyste materiały tytanowe mają niższą wytrzymałość i słabą odporność na zużycie, co prowadzi do opracowania materiałów o wysokiej wytrzymałości i wysokiej wytrzymałości reprezentowanych przez Ti6Al4V, Ti6Al7Nb i Ti5Al2.5Fe plus stop typu A .

Austa i in. [43] z powodzeniem wyprodukowali materiały na śruby kostne o doskonałych parametrach przy użyciu proszku Ti6Al7Nb i spoiwa na bazie wosku (parafina plus PE i kwas stearynowy), jak pokazano na rycinie 7. Materiał ma gęstość względną 97,6%, a wytrzymałość na rozciąganie 815 MPa. , granica plastyczności 714 MPa i wydłużenie 8,7 proc.

Wyniki badań wykazały, że pierwiastki stopowe, takie jak Al i V, w szeroko stosowanych stopach tytanowo-aluminiowo-wanadowych i stopach tytanowo-aluminiowo-niobowych uwalniają cytotoksyczne jony Al i V po wprowadzeniu implantów do organizmu człowieka, powodując szkody w organizmie człowieka.

W rezultacie naukowcy przeprowadzili serię eksperymentów nowej generacji, które zawierają pierwiastki bezpieczeństwa biologicznego, takie jak Nb, Ta, Zr, Mo, Sn, ale nie pierwiastki Al i V. Opracowanie systemów stopów tytanu.

Obecnie opracowywane i badane biologiczne stopy tytanu obejmują głównie Ti-15Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-35Nb-7Zr-5Ta , Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr i Ti{{15} }Nb-13Ta-4.6Zr [44]. Ze względu na różne ograniczenia, takie jak technologia wytwarzania proszków, te układy stopowe nie są szeroko stosowane w procesach formowania wtryskowego proszków.

Zhao i in. [45] wykorzystali proszek tytanu i proszek niobu do eksperymentów z formowaniem wtryskowym, aby z powodzeniem przygotować dwufazowe stopy TiNb o gęstości względnej około 95 procent. Badając właściwości mechaniczne surowych kęsów, części odspojonych i spiekanych, a także obserwując i porównując mikrostrukturę części spiekanych o różnym składzie stopu, zbadano wpływ zawartości Nb na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne stopu.

Arokiasamy i in. [46] przygotowali stop Ti-5Fe-5Zr, dodając pierwiastki Fe i Zr do czystego proszku tytanu HDH i zmierzyli właściwości mechaniczne stopu. Na podstawie wyników badań uzyskano mechanizm powstawania porów resztkowych oraz wpływ TiC na właściwości materiału stopowego.

 

Ryc.7Ti6Al7Nb Śruba kostna 骨钉Ti6Al7Nb przygotowana przez MIM

3 Perspektywy

Niski ciężar właściwy, wysoka wytrzymałość właściwa, doskonała biokompatybilność, odporność na utlenianie i dobra odporność na korozję tytanu i stopów tytanu mają ogromny potencjał rozwojowy w zastosowaniach takich jak lotnictwo, medycyna, chemia, motoryzacja i towary codziennego użytku.

W porównaniu z tradycyjnymi technikami przetwarzania, takimi jak kucie, odlewanie i obróbka skrawaniem, technologia formowania wtryskowego proszków ma oczywiste zalety, takie jak jednolity skład stopu, wysoki stopień wykorzystania surowców i duża zdolność produkcyjna dla dużych ilości złożonych kształtów części, które mogą znacznie promować produkcja i zastosowanie wyrobów z tytanu i stopów tytanu.

Chociaż poczyniono pewne postępy w badaniach formowania wtryskowego tytanu i stopów tytanu, nadal należy rozwiązać szereg problemów w rzeczywistym procesie produkcji przemysłowej, takich jak wysoka cena wysokiej jakości surowców proszkowych, niewystarczająca konwersja i zastosowanie nowych wysokiej jakości systemów stopów tytanu do formowania wtryskowego oraz trudności w kontrolowaniu składu chemicznego produktu.

Ponadto, wraz z szybkim rozwojem technologii mikrosystemów w ostatnich latach, stale rośnie zapotrzebowanie na mikrokomponenty stosowane w mikrosystemach. Formowanie wtryskowe proszków musi przejść od tradycyjnych typów produktów do mikroproduktów i rozwinąć się w technologię mikrowtrysku proszkowego.

Obecnie technologia mikroformowania wtryskowego koncentruje się głównie na systemach materiałowych, takich jak polimery i stal nierdzewna, i nadal istnieje wiele zagadnień, które należy zbadać w zakresie mikroformowania wtryskowego tytanu i stopów tytanu.

Dlatego rozwój badań nad formowaniem wtryskowym tytanu i stopów tytanu powinien koncentrować się na badaniach i rozwoju nowych systemów stopów tytanu, opracowaniu taniej i wysokiej jakości technologii przygotowania proszku ze stopu tytanu oraz badaniu formowania mikrowtryskowego materiału tytanowego nadaje się do mikro złożonych urządzeń.

Uważa się, że wraz z pogłębieniem badań nad technologią formowania wtryskowego tytanu i stopów tytanu technologia formowania wtryskowego tytanu i stopów tytanu poczyni znaczne postępy, promując w ten sposób szybki rozwój przemysłu tytanowego.