Tecnologia d'emmotllament per injecció de pols metàl·liques d'aliatge de titani i titani

Tecnologia d'emmotllament per injecció de pols metàl·liques d'aliatge de titani i titani

 

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. ha aconseguit una producció massiva mitjançant la investigació i el desenvolupament continus, la innovació, les proves, els processos d'emmotllament per injecció de metalls de titani i aliatges de titani el 2008. Si hi ha clients que ho necessiten, envieu un correu electrònic: mall@zw-jm.com Doneu-lo a la nostra empresa i els enginyers professionals us respondran de manera oportuna en el dia laborable més curt,

Resum

El titani i els aliatges de titani tenen una gravetat específica baixa, una alta resistència específica, una excel·lent biocompatibilitat i una bona resistència a la corrosió, i tenen un gran potencial d'aplicació en camps com ara l'aeroespacial, la biomèdica, la química i l'automoció.

La tecnologia d'emmotllament per injecció de pols metàl·liques d'aliatge de titani i titani (MIM) pot aconseguir la preparació a gran escala i de baix cost de productes de titani de forma complexa de mida petita i mitjana, la qual cosa és de gran importància per promoure la producció i aplicació de productes d'aliatge de titani i titani. .

Aquest article presenta les característiques i els avantatges de l'emmotllament per injecció de pols metàl·liques de titani i aliatges de titani. Resumeix el progrés de la investigació de la tecnologia d'emmotllament per injecció de pols metàl·liques d'aliatge de titani i titani des dels aspectes de matèries primeres en pols, sistemes d'enquadernació, emmotllament per injecció de pols, desenganxament i sinterització. En resposta als principals problemes existents actualment, analitza la direcció de recerca i les perspectives de desenvolupament de l'emmotllament per injecció de pols metàl·liques de titani i aliatges de titani.

Paraules clau titani; aliatge de titani; Emmotllament per injecció; Número de classificació del progrés de la recerca TF125.2; TF125.2 més 2

(Nota de l'editor: s'ha omès la introducció en anglès...)

Des que a la dècada de 1840 es va dominar el mètode de producció industrial per obtenir titani metàl·lic a partir del mineral, el titani i els aliatges de titani s'han utilitzat àmpliament en instal·lacions industrials i comercials. Tanmateix, en comparació amb l'acer, la seva producció anual és encara petita i, a causa de l'alt cost de les matèries primeres, el seu àmbit d'aplicació es limita principalment a la indústria marina, indústria química, indústria aeroespacial, dispositius mèdics, implants, articles de luxe i altres indústries. amb alts requisits de rendiment del material.

Actualment, a més dels alts preus de les matèries primeres, la dificultat de processar i formar titani i aliatges de titani limita molt el seu àmbit d'aplicació.

La mecanització dels aliatges de titani i titani és deficient, i els mètodes de mecanitzat tradicionals tenen equips cars i una baixa eficiència de processament, augmentant molt els seus costos de processament; L'estructura de les peces de titani que es poden mecanitzar és molt senzilla i, a causa de les limitacions dels mètodes de processament, la majoria d'elles no poden aconseguir solucions de disseny que puguin maximitzar el rendiment del material.

En aquest context, l'emmotllament per injecció de metalls (MIM), que té els avantatges d'una gran utilització de matèries primeres i un baix cost de producció per lots, s'ha convertit en un procés ideal de processament de titani i aliatges de titani [1-4].

El procés d'emmotllament per injecció de pols metàl·liques sol incloure diversos processos bàsics, com ara la preparació del material d'injecció, l'emmotllament per injecció, el desenganxament, la sinterització i el postprocessament necessari.

Com es mostra a la figura 1, la pols metàl·lica i els components del lligant orgànic es barregen, es barregen i es granulen primer per preparar un material d'injecció. A continuació, el material d'injecció s'injecta al motlle a una temperatura i pressió determinades, es refreda i es desmolda per obtenir un producte verd amb una forma específica. A continuació, mitjançant el procés de desenganxament, tots els components orgànics, excepte la pols metàl·lica, s'eliminen del producte verd, formant un producte verd desenganxant. Finalment, es realitza la sinterització per obtenir el rendiment desitjat del producte.

La tecnologia d'emmotllament per injecció de pols metàl·lic ha aconseguit una combinació orgànica d'emmotllament per injecció i la tecnologia tradicional de la metal·lúrgia de pols, superant els desavantatges de l'alt cost de mecanitzat, la forma senzilla del procés d'emmotllament tradicional, la baixa eficiència de producció del procés de premsat isostàtic i el procés d'emmotllament per injecció, molts defectes en el procés tradicional. procés de fosa i precisió de baixa tolerància. Ha promogut molt la producció i aplicació de productes de titani i aliatges de titani (com es mostra a la figura 2).

1 Diagrama de flux de titani i aliatges de titani fabricats per MIM

 

2 Aplicacions de titani i aliatges de titani fabricats per MIM

 

Estat de la investigació de l'emmotllament per injecció de pols de metall d'aliatge de titani i titani

La investigació ha demostrat que les propietats mecàniques, la resistència a la corrosió i les propietats biomèdiques dels productes modelats per injecció de titani i aliatges de titani estan molt influenciades per quatre aspectes: densitat relativa, contingut d'impureses, elements d'aliatge i microestructura.

Després de sinteritzar el producte d'emmotllament per injecció, la seva densitat relativa és d'aproximadament el 95 per cent i hi haurà una certa proporció de porus residuals.

Aquests porus residuals es convertiran en la font d'esquerdes quan es trenqui la mostra i tindran un major impacte en la resistència a la tracció, la ductilitat, la tenacitat a la fractura, la resistència a la fatiga i altres propietats mecàniques del material. Per tant, com més gran sigui la densitat relativa dels productes modelats per injecció de titani i aliatges de titani, millors són les seves propietats mecàniques.

Els elements impurs com l'oxigen, el carboni, el nitrogen, l'hidrogen, etc., especialment l'oxigen, poden augmentar la resistència a la fluència, la resistència a la tracció i la duresa dels materials, reduint la ductilitat. A la temperatura de sinterització, els elements d'impureses es dissolen a la matriu de titani. A causa de la manca d'agents reductors efectius, és difícil controlar els elements d'impureses en titani i aliatges de titani durant el procés de sinterització. Això requereix minimitzar la quantitat d'oxigen afegit a les matèries primeres i cada pas del procés posterior.

La microestructura dels aliatges de titani i titani, inclosa la mida del gra i la composició de fase després de la sinterització, pot afectar les propietats mecàniques del material. En general, els materials d'aliatge de titani i titani modelats per injecció amb un rendiment excel·lent tenen una alta densitat, baix contingut d'impureses (generalment contingut d'oxigen), composició d'aliatge adequada, mida de gra fi durant la densificació i menys defectes [5].

1.1 Matèries primeres en pols

La selecció de matèries primeres en pols és un pas important en el procés d'emmotllament per injecció de pols de titani. La distribució de la mida de les partícules i la morfologia de la pols afecten directament la fluïdesa i la conformabilitat del compost d'emmotllament per injecció, la retenció de la forma del cos verd durant el procés de desenganxament i la taxa de contracció durant el procés de sinterització.

Els mètodes utilitzats habitualment per preparar pols d'aliatge de titani i titani inclouen el mètode mecànic i el mètode d'atomització.

La forma de la pols obtinguda mitjançant mètodes mecànics com ara el fresat de boles, el fresat de boles agitant, el fresat de boles de vibració d'alta energia i la polverització del flux d'aire és generalment irregular o angular.

El procés de hidrogenació deshidrogenació (HDH) utilitza les característiques òbvies de fragilitat del titani després de l'absorció d'hidrogen. Es tritura mitjançant mòlta mecànica o trituració de flux d'aire i després se sotmet a deshidrogenació per obtenir pols de titani de forma irregular, tal com es mostra a la figura 3 (a). El mètode d'atomització (com l'atomització de gas inert, l'atomització d'elèctrodes rotatius de feix de plasma i l'atomització de gas de fusió per inducció d'elèctrodes) es pot dur a terme en una atmosfera completament inert, per mantenir l'alta puresa de la pols en brut. La pols preparada té forma esfèrica i té una distribució de la mida de partícules força àmplia, amb un bon rendiment d'apilament, tal com es mostra a la figura 3 (b).

A més, a diferència de la tecnologia de producció de pols d'acer, la producció de pols de titani més fina és més difícil. A mesura que la mida de la partícula disminueix, augmenta la superfície específica i també augmenta el contingut d'elements d'impuresa.

Normalment, MIM utilitza pols de titani amb una mida de partícula inferior a 45 μ m. Quan les partícules de pols són massa grans, el procés d'injecció és propens a la separació de l'aglutinant en pols i a la formació de defectes. Cal tenir en compte plenament el disseny de la composició del material d'injecció i el disseny del motlle [5].

Fig.3 HDH (a) i pols de titani atomitzat amb gas (b) utilitzat en MIM

1.2 Adhesiu

L'aglutinant és un portador que existeix per etapes durant tot el procés d'emmotllament per injecció, i la seva funció principal és omplir uniformement el motlle amb pols en estat fluid, formant la forma desitjada i mantenint-la fins a l'etapa de presinterització.

En el procés d'emmotllament per injecció, l'aglutinant ha de tenir les característiques següents: baix punt de fusió, bona humectabilitat a partícules de pols i ràpida solidificació, que és convenient per a la preparació de materials d'injecció; Té bona fluïdesa a la temperatura d'injecció; Després de la formació, es pot treure fàcilment de la palangana, amb menys material residual i productes de descomposició no tòxics i no corrosius.

En termes generals, els components aglutinants inclouen almenys el component principal i els components secundaris:

El component principal s'utilitza per mullar partícules de pols metàl·liques i proporcionar la fluïdesa necessària, mentre que el component secundari garanteix que el cos verd d'injecció encara tingui prou força durant el procés d'injecció i després de l'eliminació del component principal de l'aglutinant.

En la majoria dels casos, el sistema aglutinant té un tercer component, com els tensioactius, per millorar la compatibilitat entre les pols metàl·liques i els polímers.

Segons els diferents components principals dels components aglutinants, els sistemes aglutinants d'ús habitual es poden dividir en sistemes basats en cera, sistemes basats en compostos aromàtics, sistemes de polioximetilè i sistemes a base d'aigua.

1.2.1 Aglutinant a base de cera

Les ceres que s'utilitzen habitualment per a lligants de sistemes basats en cera inclouen diversos polímers de cadena curta com ara parafina, cera d'abella, cera de palma, etc. Tenen un punt de fusió baix, bona humectabilitat, cadenes moleculars curtes, viscositat baixa i canvis de volum més petits durant la descomposició en comparació amb altres. polímers, que és propici per garantir la precisió dimensional del producte.

Els components secundaris utilitzats habitualment dels sistemes basats en cera inclouen polipropilè, polietilè, copolímer d'etilè acetat de vinil i metacrilat de polimetil d'alt pes molecular. A més dels aglutinants de cera i esquelet, se sol afegir un tensioactiu com l'àcid esteàric per millorar la compatibilitat entre la pols i el polímer.

El primer sistema aglutinant basat en cera reportat a la literatura va ser Kaneko et al. [6], que va utilitzar parafina polibutil metacrilat etilè vinil acetat copolímer dibutil ftalat com a aglutinant i pols de titani per preparar un material d'injecció de comentaris. La càrrega de pols va ser del 56 per cent, i després de la desenganxada, es va sinteritzar a 1300 graus C i 1,3 Pa. La mostra sinteritzada obtinguda tenia una densitat relativa del 94 per cent i una resistència a la compressió de 1000 MPa, però a causa de l'alt contingut d'impureses, gairebé no tenia ductilitat.

Kato et al. [7] va estudiar un procés de desenllaç en dos passos que combina el desenllaç al buit i el desenllaç de l'atmosfera d'argó, que va reduir significativament el contingut de carboni i oxigen a les peces sinteritzades.

Guo et al. [8-9] va utilitzar polietilè glicol amb una millor humectabilitat per substituir una mica de parafina i va desenvolupar un sistema aglutinant d'àcid esteàric de polietilè de parafina, polietilè, polipropilè, que es va utilitzar en el modelat per injecció d'aliatges de titani pur i titani alumini vanadi. Les peces sinteritzades tenien una bona retenció de forma i un moviment d'ona de polzades petites. A causa de la reducció del contingut d'oxigen i carboni, el rendiment es va millorar considerablement, donant lloc a un bon rendiment.

A més, els investigadors han utilitzat la cera de palma com a substitut parcial de la cera de parafina [10-13] i l'oli de palma com a substitut complet de la cera de parafina [14] per a un sistema aglutinant a base de cera, que té bons efectes de formació. Tanmateix, a causa de l'element d'oxigen contingut en la cera de palma, també és una font de millora d'oxigen,

Actualment, Friederici et al va proposar el sistema òptim d'aglutinant basat en cera informat a la literatura. [15]. Durant el procés experimental, es van formar quatre proporcions d'aglutinant ajustant les proporcions de parafina, polietilè de baixa densitat i àcid esteàric, i es van formar, desenganxar i sinteritzar diferents materials d'injecció en funció d'aquestes proporcions. Es va obtenir una mostra amb una densitat relativa del 98,1 per cent i una composició química que compleix els requisits del titani pur secundari.

Els sistemes d'aglutinants basats en cera tenen un paper important en l'emmotllament per injecció, però a causa de la baixa eficiència del desenllaç de dissolvents mitjançant dissolvents orgànics, els investigadors han innovat i desenvolupat contínuament nous sistemes d'aglutinants.

1.2.2 Aglutinants a base de compostos aromàtics

Els compostos aromàtics (com ara naftalè, antracè, etc.) es poden dissoldre a temperatures molt baixes i, en condicions de baixa pressió, es poden transformar directament de sòlid a gas mitjançant sublimació a temperatures inferiors al seu punt de fusió. L'ús de compostos aromàtics com a components aglutinants pot millorar considerablement l'eficiència del procés de desenganxament.

Weil et al. [16-18] va utilitzar compostos aromàtics en l'emmotllament per injecció de pols metàl·liques de titani. En la seva investigació, es van preparar aliatges densos de titani alumini vanadi i aliatges porosos de titani alumini vanadi utilitzant naftalè, 1 per cent de fracció en massa d'àcid esteàric i 3 per cent a 12 per cent de fracció en massa de copolímer d'etilè acetat d'etilè com a aglutinants.

Durant l'experiment, a causa de la sublimació directa de naftalè en gas, no va aparèixer fase líquida durant el procés de desenganxament i el volum de la mostra no va canviar. A diferència del desgreixatge amb dissolvent, l'energia superficial implicada en el mètode de sublimació és relativament baixa, la qual cosa significa que es poden evitar defectes de desgreixatge habituals, com ara la deformació i l'esquerda. Al final, la densitat relativa de la mostra sinteritzada va ser del 96,6 per cent i el contingut de carboni no va augmentar.

Tot i que el sistema adhesiu ha aconseguit un rendiment excel·lent del producte, els compostos aromàtics del sistema encara tenen un impacte en el medi ambient i la salut física, i no s'han estudiat ni aplicat a gran escala.

1.2.3 Aglutinant a base de polioximetilè

El poliformaldehid es va utilitzar per primera vegada en el sistema aglutinant per Celanese Corp el 1984, i més tard va ser desenvolupat per BASF, fent possible que els components aglutinants no continguessin cera o components de pes molecular petit [19].

El poliformaldehid és el component principal d'aquest sistema aglutinant, i el polietilè (PE) s'afegeix gradualment com a aglutinant esquelet durant el procés de desenvolupament posterior.

Actualment, BASF ha format materials d'emmotllament per injecció basats en aquest sistema aglutinant, que cobreixen molts materials com ara acer de baix aliatge, acer inoxidable, acer per a eines, titani i aliatges de titani i ceràmica.

La característica significativa del poliformaldehid és la seva sensibilitat als reactius àcids i la seva susceptibilitat a la descomposició àcida. Per tant, el cos verd es pot tractar en una atmosfera àcida per sota de la seva temperatura de suavització. El procés de polioximetilè es troba en estat sòlid, evitant defectes com esquerdes i dilatacions provocades per l'ebullició dels components aglutinants. A més, la deformació és petita, la retenció de la forma és bona i el control de mida és precís.

A més, a causa de l'alta velocitat de difusió, en comparació amb altres mètodes de desgreixatge, la velocitat de desgreixatge és més alta, arribant a 10 vegades la velocitat de desenganxament de dissolvents tradicional, alhora que permet un desenllaç de mida més gruixuda [20].

Tot i que el sistema aglutinant basat en polioximetilè té molts avantatges esmentats anteriorment, també té molts desavantatges.

El procés de desenganxament catalític sovint utilitza vapor d'àcid nítric altament corrosiu com a catalitzador. D'una banda, el poliformaldehid es pot descompondre durant la preparació dels materials d'injecció i les etapes d'emmotllament per injecció, produint formaldehid altament tòxic. A més, els productes de descomposició s'han d'eliminar mitjançant una combustió en dues etapes. D'altra banda, l'atmosfera àcida que juga un paper catalític té una major corrosivitat per als equips, requerint més inversió.

1.2.4 Aglutinant a base d'aigua

Els dissolvents desenganxants (com l'heptà i l'hexà) o els productes de descomposició dels components de l'agent aglutinant (monòmers compostos aromàtics i formaldehid) utilitzats en els diversos sistemes d'agents aglutinants esmentats són més o menys nocius per al medi ambient i els operadors. Per tant, el desenvolupament i la utilització de sistemes d'agents d'unió amb dissolvents respectuosos amb el medi ambient són de gran importància.

El sistema aglutinant respectuós amb el medi ambient existent utilitza aigua com a dissolvent de desenganxament.

Segons els diferents papers de l'aigua en la preparació de materials d'injecció, aquest tipus de sistema aglutinant es pot dividir en gel i no gel.

El polímer comú utilitzat en sistemes no basats en gel és el polietilenglicol, que té un bon rendiment i és barat i fàcil d'obtenir. El polietilenglicol de baix pes molecular es pot eliminar ràpidament i gairebé completament a 60 graus C, amb un interval de pes molecular que s'utilitza habitualment al voltant de 500-2000. L'aglutinant d'esquelet més utilitzat és el metacrilat de polimetil amb un pes molecular de 10.000.

Sidambe et al. [21] va utilitzar un component aglutinant soluble en aigua d'àcid esteàric de polietilenglicol metacrilat de polimetil metacrilat per estudiar a una taxa de càrrega de pols del 69 per cent.

A l'experiment, el polietilenglicol es va eliminar completament a l'aigua a 55 graus C al cap de 5 hores, i el metacrilat de polimetil es va eliminar completament en un flux de gas argó desenganxat en calent a 440 graus C. El contingut final d'oxigen (fracció massiva) de la mostra preparada és del 0,2 per cent, amb una resistència a la tracció corresponent de 850-880 MPa i un allargament d'un 8,5 per cent -16 per cent, complint amb l'estàndard ASTM grau 5 Ti.

La majoria dels aglutinants a base de gel són substàncies naturals, com la cel·lulosa, l'agar de midó, etc.

Tokura et al. [22] va utilitzar agar per substituir aglutinants de polímers en l'emmotllament per injecció de pols de titani i va estudiar l'estabilitat tèrmica, la solubilitat i la viscositat del material d'injecció d'aquest sistema aglutinant.

Suzuki [24] et al. va preparar mostres del 97,3 per cent amb densitat relativa utilitzant un aglutinant d'agar (pes molecular 82 500) que contenia una fracció de massa del 4%. Les fraccions de massa de carboni i oxigen de les mostres són de 0,33% i 0,3%, respectivament. El límit elàstic és de 539 MPa i l'allargament és d'un 10 per cent. Els resultats experimentals mostren que quan s'utilitza agar d'alt pes molecular, la força del gel augmenta, però el contingut de carboni i oxigen residual és alt, donant lloc a una menor densitat de sinterització, resistència a la tracció i allargament de les peces sinteritzades.

L'aglutinant a base d'aigua sense gel és fàcil de controlar, l'equip de desgreixatge és més barat que altres mètodes de desgreixatge i l'aglutinant és biodegradable i no tòxic per als microorganismes, però el tractament d'aigües residuals per al desgreixatge requereix costos addicionals.

És difícil controlar la mida de les peces finals produïdes pel compost d'emmotllament per injecció del sistema aglutinant basat en gel, i la composició no és prou estable, de manera que les condicions del procés i el control de qualitat són difícils, i encara calen més investigacions i optimitzacions.

1.3 Emmotllament per injecció, desenganxament i sinterització

Els paràmetres del procés d'emmotllament per injecció estan determinats pel rendiment del material d'injecció i la forma geomètrica del producte objectiu.

Com s'ha esmentat anteriorment, la mida de partícula de la pols de titani sol ser gruixuda, cosa que és propensa a la separació de l'aglutinant en pols en comparació amb l'emmotllament per injecció de material d'acer inoxidable. Abans de l'emmotllament per injecció, s'han de desenvolupar paràmetres de procés de conformació adequats en funció de les propietats reològiques del material d'injecció per reduir els defectes de la palangana formada.

Wang et al. [25] va preparar materials d'emmotllament per injecció utilitzant un aliatge de Ti-6Al{-4V combinat amb un sistema aglutinant basat en cera en pols, i va provar i analitzar les propietats reològiques dels materials d'injecció a diferents quantitats i temperatures de càrrega de pols. proporcionant una base per desenvolupar paràmetres de conformació adequats per al procés d'emmotllament per injecció.

Park et al. van preparar materials d'injecció utilitzant pols de titani en aerosol, pols de titani HDH i pols de titani HDH esferoïdal, i van mesurar les seves propietats reològiques i el seu comportament de desenganxament. Van proposar un índex de conformabilitat per al material d'injecció i van avaluar el seu rendiment a partir d'això. Els resultats de l'anàlisi van proporcionar una base teòrica per a l'ús simultani de pols HDH i pols aerosol en el sistema de material d'injecció.

Barriere et al. [27] van explorar els paràmetres de procés òptims per produir peces de metall modelat per injecció sense defectes i amb les propietats mecàniques requerides basant-se en processos de simulació experimental i numèrica. A partir de tècniques de modelització, es va utilitzar una equació de flux de dues fases i un algorisme explícit recentment desenvolupat per predir els fenòmens de separació de materials durant el procés d'injecció mitjançant simulació numèrica.

Chen et al. [28] va utilitzar una pols de prealiatge de Ti-6Al{-4V hidrogenat deshidrogenat i un sistema aglutinant soluble en aigua per preparar un material d'injecció de comentaris, i després va mesurar la taxa d'eliminació del component aglutinant soluble en aigua polietilè glicol en mostres de diferents gruixos a diferents temperatures. Es va establir un model matemàtic de desenllaç controlat per difusió per determinar el mecanisme de desenllaç del sistema aglutinant.

Sidambe [29] i altres van utilitzar els mètodes Taguchi per determinar la combinació òptima de temperatura de sinterització, temps, velocitat d'escalfament, atmosfera i altres paràmetres.

Ni et al. [30] va preparar material d'injecció de Ti – 6Al – 4V utilitzant estearat de palma i un sistema aglutinant de polietilè, i va formular el procés de producció òptim mitjançant els mètodes Taguchi. Finalment, es va obtenir una mostra amb un límit elàstic de 934,4 MPa i un allargament del 10 per cent, i el seu rendiment global va complir els requisits de l'aliatge de titani mèdic ASTM B348-02.

Obasi et al. [31] va preparar mostres de Ti{-6Al{-4V amb propietats que compleixen els requisits de l'aliatge de titani ASTM B{348-02 grau 23, i van estudiar els efectes dels canvis en els sistemes de paràmetres bàsics del procés sobre la temperatura tèrmica. processos de desgreixatge i sinterització de components de Ti-6Al{-4V en pols MIM.

Limberg et al. [32] va preparar Ti-45Al-5Nb{-0.2B{-0.2C utilitzant una barreja de pols elementals durant el procés d'emmotllament per injecció i va estudiar els efectes del temps de sinterització i atmosfera sobre propietats de tracció i microestructura. Es va obtenir una mostra amb una resistència a la tracció d'uns 630 MPa.

Guo et al. [8-9] va preparar materials de titani pur i Ti-6Al{-4V mitjançant la tecnologia d'emmotllament per injecció i va estudiar els efectes dels processos de tractament tèrmic com el premsat isostàtic en calent i el recuit sobre les propietats del material d'aliatge. L'efecte del tractament tèrmic es va caracteritzar qualitativament i quantitativament mitjançant proves de microestructura i propietats mecàniques, i la seva microestructura es mostra a la figura 4.

Es prepara un material d'injecció d'observació barrejant pols de titani atomitzat, pols de titani deshidrogenat hidrogenat i un sistema aglutinant basat en cera. Després de l'emmotllament per injecció, es duu a terme un desenllaç amb dissolvents en una barreja d'heptà i etanol. L'aglutinant s'elimina completament després de l'escalfament a 350, 420 i 600 graus C a una velocitat d'escalfament determinada, i la temperatura de sinterització és de 1230 graus C durant 3 hores. Finalment, les propietats de tracció de la mostra sinteritzada eren de 389-419 MPa i l'allargament era de 2-4 per cent.

Els membres del nostre grup de recerca [33] van preparar mostres de titani pur mitjançant un sistema de pols de titani en aerosol i aglutinant soluble en aigua, i van estudiar els efectes de la temperatura de sinterització i el temps de retenció sobre les propietats de les mostres de titani pur. El procés de sinterització es va dur a terme sota un grau de buit de 10-4-10-3 Pa, amb una temperatura de sinterització de 1350 graus C i un allargament del 20,3 per cent obtingut després de mantenir-se durant 3 hores. Les mostres compleixen totalment amb el millor rendiment de la metal·lúrgia en pols de l'ASTM F2989-13, amb una densitat relativa del 96,9 per cent i una resistència a la tracció de 443 MPa, estàndard biomèdic de titani pur de grau II.

4 Microestructures de mostres de Ti (a) i Ti-6Al{-4V (b) preparades per matèries primeres a base de cera

2 nous materials d'emmotllament per injecció d'aliatge de titani i titani

El titani i els aliatges de titani s'utilitzen actualment àmpliament en ortopèdia, equips dentals i implants mèdics. Tanmateix, a causa de la diferència de propietats mecàniques entre el titani i l'os humà (amb un mòdul elàstic d'uns 20 GPa), es generen efectes de protecció contra l'estrès a la interfície os/implant, que poden comprometre en gran mesura els resultats clínics a llarg termini, tal com es mostra a Figura 5.

Per tant, els investigadors han ajustat les propietats mecàniques dels materials de titani canviant la seva estructura i composició d'aliatge, apropant-los a l'estructura i el rendiment dels ossos naturals del cos humà.

5 Comparació del mòdul d'elasticitat d'aliatges de titani biomèdics

2.1 Materials porosos de titani i compostos ceràmics de titani

Els materials porosos de titani i els nous materials del sistema d'aliatge de titani tenen una estructura de porus i propietats mecàniques adequades, cosa que els converteix en materials ideals per a implants de substitució ortopèdica.

D'una banda, pot reduir eficaçment el desajust de l'estrès entre l'implant i el teixit ossi, reduint així l'efecte de protecció contra l'estrès i aconseguint la funció de llarga durada i eficaç de l'implant; D'altra banda, l'estructura porosa és una condició necessària perquè les cèl·lules òssies creixin al cos de l'implant, i l'estructura porosa interconnectada pot permetre que passi una gran quantitat de líquid corporal, afavorint encara més el creixement de les cèl·lules òssies.

Gu et al. va formar un nou tipus d'aliatge TC4 amb una estructura de porus obert afegint TiH2 com a agent d'escuma i activador a la pols d'elements de vanadi d'alumini titani, amb una distribució uniforme de la mida de porus i una mida de porus que oscil·lava entre 90 i 190 μ m. La porositat és d'uns 43% ~ 59% i el mòdul elàstic oscil·la entre 5,8 i 9,5 GPa. Motor et al. [35] va preparar aliatges de titani multimicroporós mitjançant la tecnologia d'emmotllament per injecció de pols (PIM) combinada amb la tecnologia d'agent de formació de porus i va estudiar l'efecte de la quantitat d'agent de formació de porus polimetilmetacrilat sobre la densitat, la resistència a la compressió i el mòdul elàstic de l'aliatge.

Tuncer et al. [36] va utilitzar un sistema de pols esfèrica atomitzada, pols de titani HDH i aglutinant a base de cera per estudiar l'efecte de la pols inicial sobre el rendiment del producte final de titani porós afegint una certa quantitat de NaCl i KCl com a agents de formació de porus. A més, ajustant la quantitat d'agents de formació de porus, es va obtenir un material de titani porós amb la porositat i la mida de porus requerides per als implants mèdics, i la composició química del material podria complir amb l'estàndard de titani pur de tercer grau.

Chen et al. [37] va utilitzar NaCl com a agent de formació de porus i material d'injecció a base de cera de pols de titani deshidrogenat hidrogenat per preparar mostres modelades per injecció. Les mostres obtingudes tenien una porositat del 42,4% ~ 71,6% i una mida de porus de 300 μ m. Com es mostra a la figura 6. Ajustant la quantitat de NaCl utilitzada, es poden formar porus interconnectats dins de la part d'injecció i les seves propietats mecàniques són similars a les de l'os esponjoso.

Barbosa et al. [38] va utilitzar per primera vegada la pols de Fe22Cr per provar les propietats reològiques dels materials d'injecció amb diferents sistemes aglutinants. A partir dels resultats de les proves de rendiment, es va seleccionar un sistema d'aglutinant a base de cera adequat. A continuació, es van combinar la pols de Ti i l'agent de formació de porus NaCl per a la premsa calenta i l'emmotllament per injecció multicomponent. Després de desgreixar i sinteritzar, es va preparar un component d'implant de columna amb un nucli dens i un gradient de porositat externa.

6 Component d'emmotllament per injecció de titani porós utilitzant NaCl com a suport d'espai

La hidroxiapatita (HA), amb la mateixa composició química i estructura cristal·lina que el teixit ossi natural humà, té avantatges únics en la substitució òssia i la reconstrucció òssia, i ha començat a tenir un paper cada cop més important en els dispositius biomèdics.

Tanmateix, a causa de la seva alta fragilitat i les seves pobres propietats mecàniques, l'HA no es pot utilitzar com a component de càrrega per si sol, donant lloc a l'aparició d'un nou tipus de material biomèdic compost per HA i materials de titani.

Thian et al. [39-42] va estudiar la preparació de materials compostos Ti6Al4V/HA mitjançant el mètode d'emmotllament per injecció. En primer lloc, es va preparar la pols composta Ti6Al4V/HA mitjançant el mètode de purins ceràmics. A continuació, es va barrejar la pols preparada amb l'aglutinant comercial PAN-250S per preparar un material d'injecció de comentaris. Es van provar les propietats reològiques del material d'injecció i es van estudiar els efectes de la velocitat d'escalfament i el cabal de gas de l'atmosfera de desenganxament sobre els defectes de desenganxament, la quantitat d'eliminació de l'aglutinant i el contingut de carboni residual durant el procés de desenganxament; L'efecte dels paràmetres del procés de sinterització (velocitat d'escalfament, temperatura de sinterització, temps de retenció, velocitat de refredament, etc.) sobre el rendiment de la mostra final, donant lloc a una porositat d'aproximadament el 50 per cent de la mostra; A més, es va analitzar i caracteritzar el procés de degradació biològica del material Ti6Al4V/HA preparat a l'entorn del fluid corporal mitjançant els resultats de les proves de propietats mecàniques.

2.2 Nous materials d'aliatge de titani

El camp biomèdic, com a branca important de l'aplicació de materials de titani, la seva direcció de demanda d'aplicació afecta directament la tendència de desenvolupament dels materials de titani.

Els primers materials de titani utilitzaven titani pur (principalment composts per fases, però els materials de titani pur tenen una resistència més baixa i una poca resistència al desgast, donant lloc al desenvolupament de materials d'alta resistència i alta tenacitat representats per Ti6Al4V, Ti6Al7Nb i Ti5Al2.5Fe més l'aliatge de tipus A). .

Aust et al. [43] va fabricar amb èxit materials de cargol ossi amb un rendiment excel·lent utilitzant pols de Ti6Al7Nb i un sistema aglutinant a base de cera (parafina més PE ​​més àcid esteàric), tal com es mostra a la figura 7. El material té una densitat relativa del 97,6 per cent, resistència a la tracció de 815 MPa , límit elàstic de 714 MPa i allargament del 8,7 per cent.

Els resultats de la investigació han demostrat que els elements d'aliatge com Al i V en aliatges de titani alumini vanadi àmpliament utilitzats i aliatges de titani alumini niobi alliberen ions citotòxics Al i V després que els implants entren al cos humà, causant danys al cos humà.

Com a resultat, els investigadors van realitzar una sèrie d'experiments de nova generació que contenen elements de bioseguretat com Nb, Ta, Zr, Mo, Sn, però no elements Al i V. Desenvolupament de sistemes d'aliatge de titani.

Els aliatges biològics de titani desenvolupats i investigats actualment inclouen principalment 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]. A causa de diverses limitacions, com ara la tecnologia de fabricació de pols, aquests sistemes d'aliatge no s'utilitzen àmpliament en els processos d'emmotllament per injecció de pols.

Zhao et al. [45] va utilitzar pols de titani i pols de niobi per a experiments d'emmotllament per injecció per preparar amb èxit aliatges de doble fase de TiNb amb una densitat relativa d'aproximadament el 95 per cent. Mitjançant la prova de les propietats mecàniques de totxos verds, peces de desenganxament i peces sinteritzades, així com observant i comparant la microestructura de peces sinteritzades amb diferents continguts de composició d'aliatge, es va estudiar l'efecte del contingut de Nb sobre la microestructura i les propietats mecàniques de l'aliatge.

Arokiasamy et al. [46] va preparar un aliatge de Ti-5Fe{-5Zr afegint elements Fe i Zr a la pols de titani pur HDH, i van mesurar les propietats mecàniques de l'aliatge. A partir dels resultats de la prova, es va obtenir el mecanisme dels porus residuals i l'efecte del TiC sobre les propietats del material d'aliatge.

 

Fig.7Ti6Al7Nb 骨钉Ti6Al7Nb cargol ossi preparat per MIM

3 Perspectives

La baixa gravetat específica, l'alta resistència específica, l'excel·lent biocompatibilitat, la resistència a l'oxidació i la bona resistència a la corrosió dels aliatges de titani i titani tenen un gran potencial de desenvolupament en aplicacions com ara béns aeroespacials, mèdics, químics, automoció i de consum diari.

En comparació amb les tècniques de processament tradicionals com la forja, la fosa i el mecanitzat, la tecnologia d'emmotllament per injecció de pols té avantatges evidents, com ara una composició uniforme d'aliatge, una alta taxa d'utilització de matèries primeres i una gran capacitat de producció per a grans quantitats de peces de forma complexa, que poden promoure molt. la producció i aplicació de titani i productes d'aliatge de titani.

Tot i que s'han fet alguns avenços en la investigació de l'emmotllament per injecció de titani i aliatges de titani, encara cal resoldre una sèrie de problemes en el procés de producció industrial real, com ara l'alt preu de les matèries primeres en pols d'alta qualitat, la conversió i l'aplicació insuficients. de nous sistemes d'aliatge de titani d'alta qualitat per a l'emmotllament per injecció i dificultat per controlar la composició química del producte.

A més, amb el ràpid desenvolupament de la tecnologia de microsistemes en els darrers anys, la demanda de components micro complexos aplicats als microsistemes continua augmentant. L'emmotllament per injecció de pols ha de passar dels tipus de productes tradicionals als microproductes i convertir-se en tecnologia d'emmotllament per microinjecció de pols.

En l'actualitat, la tecnologia de microemmotllament per injecció se centra principalment en sistemes de materials com ara polímers i acer inoxidable, i encara hi ha molts problemes que cal estudiar en el modelat per microinjecció de titani i aliatges de titani.

Per tant, el desenvolupament de la investigació de l'emmotllament per injecció de titani i aliatge s'ha de centrar en la investigació i desenvolupament de nous sistemes d'aliatge de titani, el desenvolupament de tecnologia de preparació de pols d'aliatge de titani d'alta qualitat i de baix cost i l'estudi de l'emmotllament per microinjecció de material de titani. adequat per a dispositius micro complexos.

Amb l'aprofundiment de la investigació sobre la tecnologia d'emmotllament per injecció de titani i aliatge de titani, es creu que la tecnologia d'emmotllament per injecció de titani i aliatge de titani farà un progrés significatiu, promovent així el ràpid desenvolupament de la indústria del titani.