Titán és titánötvözet fémpor fröccsöntési technológia

Titán és titánötvözet fémpor fröccsöntési technológia

 

A Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. 2008-ban folyamatos kutatás-fejlesztés, innováció, tesztelés, titán fém és titánötvözet fém fröccsöntési folyamatok révén tömegtermelést ért el. Ha van rászoruló ügyfél, kérjük, küldjön egy e-mailt: business- mall@zw-jm.com Adja át cégünknek, és a professzionális mérnökök a legrövidebb munkanapon belül válaszolnak Önnek,

Összegzés

A titán és a titánötvözetek alacsony fajsúlyúak, nagy fajszilárdsággal, kiváló biológiai kompatibilitással és jó korrózióállósággal rendelkeznek, és nagy alkalmazási potenciállal rendelkeznek az olyan területeken, mint a repülőgépipar, az orvosbiológia, a vegyipar és az autóipar.

A titán és titánötvözet fémporos fröccsöntési (MIM) technológiájával kis- és közepes méretű összetett formájú titántermékek nagy léptékű és alacsony költségű elkészítése érhető el, ami nagy jelentőséggel bír a titán és titánötvözet termékek gyártásának és alkalmazásának elősegítésében. .

Ez a cikk bemutatja a titán és titánötvözetek fémporos fröccsöntésének jellemzőit és előnyeit. Összefoglalja a titán és titánötvözet fémporos fröccsöntési technológiájának kutatási előrehaladását a por alapanyagok, kötőanyagrendszerek, porfröccsöntés, kötésbontás és szinterezés szempontjaiból. A jelenleg fennálló főbb problémákra válaszul elemzi a titán és titánötvözetek fémporos fröccsöntésének kutatási irányát és fejlesztési kilátásait.

Kulcsszavak titán; Titán ötvözet; Fröccsöntés; A kutatás előrehaladásának osztályozási száma: TF125.2; TF125.2 plusz 2

(A szerkesztő megjegyzése: az angol bevezető kimaradt...)

Amióta az 1840-es években elsajátították a fémtitán ércből történő előállításának ipari termelési módszerét, a titánt és a titánötvözeteket széles körben használják ipari és kereskedelmi létesítményekben. Az acélhoz képest azonban éves kibocsátása még mindig kicsi, és a magas nyersanyagárak miatt alkalmazási köre leginkább a tengeri iparra, a vegyiparra, a repülőgépiparra, az orvostechnikai eszközökre, az implantátumokra, a luxuscikkekre és más iparágakra korlátozódik. magas anyagteljesítményi követelményekkel.

Jelenleg a magas nyersanyagárak mellett a titán és titánötvözetek feldolgozásának és alakításának nehézsége is nagyban korlátozza alkalmazási körüket.

A titán és a titánötvözetek megmunkálhatósága gyenge, a hagyományos megmunkálási módszerek drága berendezésekkel és alacsony feldolgozási hatékonysággal rendelkeznek, ami nagymértékben növeli feldolgozási költségeiket; A megmunkálható titán alkatrészek felépítése nagyon egyszerű, és a feldolgozási módszerek korlátai miatt a legtöbbjük nem képes olyan tervezési megoldást elérni, amely maximalizálja az anyagteljesítményt.

Ebben az összefüggésben a fém fröccsöntés (MIM), amelynek előnye a magas nyersanyag-felhasználás és az alacsony tételes gyártási költség, ideális titán- és titánötvözet-feldolgozási eljárássá vált [1-4].

A fémporos fröccsöntési eljárás általában több alapvető folyamatot foglal magában, mint például a fröccsöntés, a fröccsöntés, a kötés eltávolítása, a szinterezés és a szükséges utófeldolgozás.

Amint az 1. ábrán látható, a fémpor és a szerves kötőanyag komponenseit először összekeverik, összekeverik és granulálják, hogy előállítsák az injekciós anyagot. Ezután a fröccsöntő anyagot egy bizonyos hőmérsékleten és nyomáson a formába fecskendezik, lehűtik és kibontják, hogy meghatározott alakú zöld terméket kapjanak. Ezután a kötésleválasztási folyamat során a fémpor kivételével minden szerves komponenst eltávolítanak a zöld termékből, és így bontó zöld terméket képeznek. Végül szinterezést végzünk a termék kívánt teljesítményének elérése érdekében.

A fémpor-fröccsöntés technológia a fröccsöntés és a hagyományos porkohászati ​​technológia szerves kombinációját érte el, leküzdve a magas megmunkálási költségek hátrányait, a hagyományos öntési eljárás egyszerű formáját, az izosztatikus préselési és fröccsöntési folyamatok alacsony termelési hatékonyságát, számos hagyományos hibáját. öntési folyamat és alacsony tűréspontosság. Nagymértékben elősegítette a titán és titánötvözet termékek gyártását és alkalmazását (a 2. ábrán látható módon).

1 A MIM által gyártott titán és titánötvözetek folyamatábrája

 

2 A MIM által gyártott titán és titánötvözetek alkalmazásai

 

A titán és a titánötvözet fémporos fröccsöntésének kutatási állása

A kutatások kimutatták, hogy a titánból és titánötvözetből fröccsöntött termékek mechanikai tulajdonságait, korrózióállóságát és orvosbiológiai tulajdonságait négy szempont nagyban befolyásolja: a relatív sűrűség, a szennyeződéstartalom, az ötvözetelemek és a mikroszerkezet.

A fröccsöntő termék szinterezése után a relatív sűrűsége körülbelül 95 százalék, és bizonyos arányban maradnak vissza pórusok.

Ezek a maradék pórusok repedésforrássá válnak, amikor a minta eltörik, és nagyobb hatást gyakorolnak az anyag szakítószilárdságára, hajlékonyságára, törési szilárdságára, kifáradási szilárdságára és egyéb mechanikai tulajdonságaira. Ezért minél nagyobb a titán és titánötvözet fröccsöntött termékek relatív sűrűsége, annál jobbak a mechanikai tulajdonságaik.

A szennyező elemek, mint például az oxigén, szén, nitrogén, hidrogén stb., különösen az oxigén, növelhetik az anyagok folyáshatárát, szakítószilárdságát és keménységét, csökkentve a hajlékonyságot. A szinterezési hőmérsékleten a szennyező elemek feloldódnak a mátrix titánban. A hatékony redukálószerek hiánya miatt nehéz a titánban és titánötvözetekben lévő szennyező elemek ellenőrzése a szinterezési folyamat során. Ehhez minimálisra kell csökkenteni a nyersanyagokhoz hozzáadott oxigén mennyiségét és minden további lépést.

A titán és titánötvözetek mikroszerkezete, beleértve a szinterezés utáni szemcseméretet és fázisösszetételt, befolyásolhatja az anyag mechanikai tulajdonságait. Összességében elmondható, hogy a kiváló teljesítményű fröccsöntött titán és titánötvözet anyagok nagy sűrűséggel, alacsony szennyezőanyag-tartalommal (általában oxigéntartalommal), megfelelő ötvözet-összetétellel, tömörítés során finom szemcsemérettel és kevesebb hibával rendelkeznek [5].

1.1 Por alapanyagok

A por alapanyagok kiválasztása fontos lépés a titánpor fröccsöntési folyamatában. A por szemcseméret-eloszlása ​​és morfológiája közvetlenül befolyásolja a fröccsöntő massza folyékonyságát és alakíthatóságát, a zöld test alakjának megtartását a leválasztási folyamat során és a zsugorodási sebességet a szinterezési folyamat során.

A titán és titánötvözet porok előállítására általánosan használt módszerek közé tartozik a mechanikai módszer és a porlasztási módszer.

A mechanikai módszerekkel, például golyós őrléssel, keverőgolyós őrléssel, nagy energiájú vibrációs golyós őrléssel és légáramú porítással nyert por alakja általában szabálytalan vagy szögletes.

A hidrogénező dehidrogénezési (HDH) eljárás a titán nyilvánvaló ridegedési jellemzőit használja fel a hidrogén abszorpciója után. Mechanikus őrléssel vagy légáramlásos zúzással összetörik, majd dehidrogénezésnek vetik alá, hogy szabálytalan alakú titánport kapjanak, amint az a 3. (a) ábrán látható. A porlasztási módszer (mint például az inert gáz porlasztása, a plazmasugaras forgó elektróda porlasztása és az elektróda indukciós olvadógáz-porlasztása) teljesen inert atmoszférában is végrehajtható a nyers por nagy tisztaságának megőrzése érdekében. Az elkészített por gömb alakú, és meglehetősen széles szemcseméret-eloszlású, jó halmozási teljesítménnyel, amint az a 3. (b) ábrán látható.

Ezenkívül az acélpor gyártási technológiájával ellentétben a finomabb titánpor előállítása nehezebb. A szemcseméret csökkenésével nő a fajlagos felület, és nő a szennyező elemek tartalma is.

A MIM általában 45 μm-nél kisebb részecskeméretű titánport használ. Ha a porszemcsék túl nagyok, az injektálási folyamat hajlamos a porkötőanyag szétválására és hibák kialakulására. Teljes mértékben figyelembe kell venni a fröccsöntő anyag összetételét és a formatervezést [5].

3. ábra MIM-ben használt HDH (a) és gázporlasztott (b) titánpor

1.2 Ragasztó

A kötőanyag a teljes fröccsöntési folyamat során szakaszosan létező hordozó, fő feladata, hogy a formát folyékony halmazállapotú porral egyenletesen megtöltse, kialakítva a kívánt formát, és megtartsa azt az előszinterelésig.

A fröccsöntési folyamatban a kötőanyagnak a következő jellemzőkkel kell rendelkeznie: alacsony olvadáspont, jó nedvesíthetőség a porszemcsékkel szemben, és gyors megszilárdulás, ami kényelmes az injektáló anyagok előállításához; Jó folyékonysággal rendelkezik az injekciós hőmérsékleten; Formázás után könnyen eltávolítható a tuskóból, kevesebb maradványanyaggal és nem mérgező és nem korrozív bomlástermékekkel.

Általánosságban elmondható, hogy a kötőanyag-összetevők legalább a főkomponenst és a másodlagos összetevőket tartalmazzák:

A fő komponens a fémpor részecskék nedvesítésére és a szükséges folyóképesség biztosítására szolgál, míg a másodlagos komponens biztosítja, hogy a fröccsöntött zöldtest kellő szilárdságú maradjon a befecskendezési folyamat során és a kötőanyag főkomponensének eltávolítása után is.

A legtöbb esetben a kötőanyag-rendszer tartalmaz egy harmadik komponenst, például felületaktív anyagokat, amelyek javítják a fémporok és a polimerek kompatibilitását.

A kötőanyag-összetevők különböző fő komponensei szerint az általánosan használt kötőanyagrendszereket viaszalapú rendszerekre, aromás vegyületek alapú rendszerekre, polioximetilén-rendszerekre és vízbázisú rendszerekre lehet felosztani.

1.2.1 Viasz alapú kötőanyag

A viaszalapú rendszerkötőanyagokhoz általánosan használt viaszok számos rövid szénláncú polimert tartalmaznak, mint például paraffin, méhviasz, pálmaviasz stb. Alacsony olvadáspontjuk, jó nedvesíthetőségük, rövid molekulaláncuk, alacsony viszkozitásuk és kisebb térfogatváltozásaik a bomlás során, mint más termékek. polimerek, ami elősegíti a termék méretpontosságát.

A viaszalapú rendszerek általánosan használt másodlagos komponensei közé tartozik a polipropilén, polietilén, etilén-vinil-acetát kopolimer és nagy molekulatömegű polimetil-metakrilát. A viasz és a csontváz kötőanyagai mellett általában felületaktív anyagot, például sztearinsavat is adnak a por és a polimer kompatibilitásának javítására.

Az irodalomban legkorábban közölt viaszalapú kötőanyagrendszer Kaneko et al. [6], amely paraffin-polibutil-metakrilát-etilén-vinil-acetát-kopolimer-dibutil-ftalátot használt kötőanyagként és titánport egy megjegyzés injektáló anyag előállításához. A porterhelés 56 százalék volt, majd a kötés eltávolítása után 1300 C-on és 1,3 Pa nyomáson szinterezték. A kapott szinterezett minta relatív sűrűsége 94 százalék, nyomószilárdsága 1000 MPa, de a magas szennyezőanyag-tartalom miatt szinte nem volt rugalmas.

Kato et al. [7] a vákuum- és argonatmoszféra-leválasztást kombináló kétlépcsős kötés-leválasztási eljárást tanulmányozta, amely jelentősen csökkentette a szinterezett részek szén- és oxigéntartalmát.

Guo et al. [8-9] jobb nedvesíthetőségű polietilénglikolt használt néhány paraffin helyettesítésére, és kifejlesztett egy paraffin-polietilén-polietilén-polipropilén-sztearinsav kötőanyag-rendszert, amelyet tiszta titán és titán-alumínium-vanádiumötvözetek fröccsöntésére használtak. A szinterezett részek jó alaktartással és kis hüvelyk hullámmozgással rendelkeztek. Az oxigén- és széntartalom csökkenése miatt a teljesítmény nagymértékben javult, ami jó teljesítményt eredményezett.

Ezenkívül a kutatók pálmaviaszt használtak a paraffinviasz részleges helyettesítésére [10-13], pálmaolajat pedig a paraffinviasz teljes helyettesítésére [14] egy viaszalapú kötőanyagrendszerben, amelynek jó formáló hatása van. Azonban magában a pálmaviaszban található oxigénelemnek köszönhetően az oxigénfokozó forrása is,

Jelenleg az irodalomban ismertetett optimális viaszalapú kötőanyag-rendszert Friederici és munkatársai javasolták. [15]. A kísérleti folyamat során a paraffin, a kis sűrűségű polietilén és a sztearinsav arányának beállításával négy kötőanyagarányt alakítottak ki, és ezen arányok alapján különböző injektáló anyagokat alakítottak ki, bontottak le és szintereztek. 98,1 százalékos relatív sűrűségű és a másodlagos tiszta titán követelményeinek megfelelő kémiai összetételű mintát kaptunk.

A viasz alapú kötőanyagrendszerek fontos szerepet játszanak a fröccsöntésben, de a szerves oldószerek felhasználásával történő oldószeres leválasztás alacsony hatékonysága miatt a kutatók folyamatosan újítottak és fejlesztettek új kötőanyagrendszereket.

1.2.2 Aromás vegyület alapú kötőanyagok

Az aromás vegyületek (például naftalin, antracén stb.) nagyon alacsony hőmérsékleten feloldódhatnak, és alacsony nyomású körülmények között olvadáspontjuk alatti hőmérsékleten szublimálással közvetlenül átalakulhatnak szilárd anyagból gázzá. Az aromás vegyületek kötőanyag-komponensként történő alkalmazása nagymértékben javíthatja a kötésleválasztási folyamat hatékonyságát.

Weil és mtsai. [16-18] aromás vegyületeket használt a titán fémpor fröccsöntésénél. Kutatásai során sűrű titán-alumínium-vanádiumötvözeteket és porózus titán-alumínium-vanádiumötvözeteket állítottak elő naftalin, 1 tömegszázalék sztearinsav és 3-12 tömegszázalék etilén-acetát-etilén-kopolimer kötőanyag felhasználásával.

A kísérlet során a naftalin direkt gázzá történő szublimációja miatt a leválási folyamat során nem jelent meg folyadékfázis, a minta térfogata nem változott. Az oldószeres zsírtalanítástól eltérően a szublimációs eljárásban alkalmazott felületi energia viszonylag alacsony, ami azt jelenti, hogy elkerülhetők az olyan általános zsírtalanítási hibák, mint a deformáció és a repedés. Végül a szinterezett minta relatív sűrűsége 96,6 százalék volt, és a széntartalom nem nőtt.

Bár a ragasztórendszer kiváló termékteljesítményt ért el, a rendszerben lévő aromás vegyületek továbbra is hatással vannak a környezetre és a fizikai egészségre, és nem vizsgálták tovább, illetve nem alkalmazták őket széles körben.

1.2.3 Polioximetilén alapú kötőanyag

A poliformaldehidet először a Celanese Corp használta 1984-ben a kötőanyagrendszerben, majd később a BASF fejlesztette ki, lehetővé téve, hogy a kötőanyag-komponensek ne tartalmazzanak viaszt vagy kis molekulatömegű komponenseket [19].

Ennek a kötőanyag-rendszernek a fő komponense a poliformaldehid, és a későbbi fejlesztési folyamat során fokozatosan adják hozzá a polietilént (PE) vázkötőanyagként.

Jelenleg a BASF ezen a kötőanyag-rendszeren alapuló fröccsöntő anyagokat alakított ki, amelyek számos anyagot fednek le, mint például gyengén ötvözött acél, rozsdamentes acél, szerszámacél, titán és titánötvözetek, valamint kerámiák.

A poliformaldehid jelentős jellemzője a savas reagensekkel szembeni érzékenysége és a savas lebomlásra való érzékenysége. Ezért a zöld test savas atmoszférában a lágyulási hőmérséklete alatt kezelhető. A polioximetilén eljárás szilárd állapotban van, elkerülve a hibákat, például a repedéseket és a kötőanyag-összetevők forrása okozta kiterjedést. Ezenkívül a deformáció kicsi, az alaktartás jó, és a méretszabályozás pontos.

Ezen túlmenően a nagy diffúziós sebesség miatt a többi zsírtalanítási módszerhez képest a zsírtalanítási sebesség nagyobb, eléri a hagyományos oldószeres leválasztás sebességének 10-szeresét, ugyanakkor lehetővé teszi a vastagabb méretű leválasztást [20].

Bár a polioximetilén alapú kötőanyagrendszernek számos fent említett előnye van, számos hátránya is van.

A katalitikus kötésleválasztási eljárás gyakran erősen korrozív salétromsavgőzt használ katalizátorként. Egyrészt a poliformaldehid a fröccsöntési anyagok előkészítése és a fröccsöntési szakaszok során lebomolhat, és rendkívül mérgező formaldehid keletkezhet. Ezenkívül a bomlástermékeket kétlépcsős égetéssel kell eltávolítani. Másrészt a katalitikus szerepet betöltő savas atmoszféra nagyobb korrozív hatást gyakorol a berendezésre, ami több beruházást igényel.

1.2.4 Vízbázisú kötőanyag

A fent említett több kötőanyag-rendszerben alkalmazott bontó oldószerek (például heptán és hexán) vagy a kötőanyag-komponensek bomlástermékei (aromás vegyületek monomerek és formaldehid) többé-kevésbé károsak a környezetre és a kezelőkre. Ezért nagy jelentőséggel bír a környezetbarát oldószeres kötőanyag-rendszerek fejlesztése és alkalmazása.

A meglévő környezetbarát kötőanyagrendszer vizet használ kötésoldó oldószerként.

A víznek az injekciós anyagok előállításában betöltött szerepe szerint az ilyen típusú kötőanyag-rendszer gél alapú és nem gél alapúra osztható.

A nem gél alapú rendszerekben általánosan használt polimer a polietilénglikol, amely jó teljesítményű, olcsó és könnyen beszerezhető. Az alacsony molekulatömegű polietilénglikol gyorsan és szinte teljesen eltávolítható 60 °C-on, általában 500-2000 körüli molekulatömeg-tartomány mellett. Az általánosan használt csontváz kötőanyag a polimetil-metakrilát, amelynek molekulatömege 10 000.

Sidambe et al. [21] polietilénglikol-polimetil-metakrilát-sztearinsav vízoldható kötőanyag-komponensét használta a vizsgálathoz 69 százalékos porterhelés mellett.

A kísérletben a polietilénglikolt 5 óra elteltével 55°C-os vízben teljesen eltávolítottuk, a polimetil-metakrilátot pedig 440°C-os, forró argongázáramban teljesen eltávolítottuk. A végső oxigéntartalom (tömegfrakció) Az előkészített minta 0,2 százaléka, ennek megfelelő szakítószilárdsága 850-880 MPa és nyúlása 8,5 százalék -16 százalék, ami megfelel az ASTM 5. Ti szabványnak.

A legtöbb gél alapú kötőanyag természetes anyag, például cellulóz, keményítő agar stb.

Tokura et al. [22] agart használt a polimer kötőanyagok helyettesítésére a titánpor fröccsöntésben, és tanulmányozta ennek a kötőanyag-rendszernek a termikus stabilitását, oldhatóságát és az injektált anyag viszkozitását.

Suzuki [24] et al. 97,3 százalékos relatív sűrűségű mintákat készítettünk 4 tömegszázalékos agar (molekulatömeg 82 500) kötőanyag felhasználásával. A minták szén- és oxigéntömeghányada 0,33 százalék, illetve 0,3 százalék . A folyáshatár 539 MPa, a nyúlás pedig körülbelül 10 százalék. A kísérleti eredmények azt mutatják, hogy nagy molekulatömegű agar használatakor a gél szilárdsága nő, de a maradék szén- és oxigéntartalom magas, ami alacsonyabb szinterezési sűrűséget, szakítószilárdságot és a szinterezett darabok nyúlását eredményezi.

A nem gél alapú vízbázisú kötőanyag könnyen szabályozható, a zsírtalanító berendezés olcsóbb, mint a többi zsírtalanító módszer, és a kötőanyag biológiailag lebomlik és nem mérgező a mikroorganizmusokra, de a szennyvíz zsírtalanítási kezelése többletköltséget igényel.

A gél alapú kötőanyagrendszerű fröccsöntő keverékkel előállított kész alkatrészek méretét nehéz ellenőrizni, az összetétel nem elég stabil, így a folyamat körülményei és a minőségellenőrzés is nehézkesek, további kutatások és optimalizálás szükségesek.

1.3 Fröccsöntés, kötés eltávolítása és szinterezés

A fröccsöntési folyamat paramétereit a fröccsöntési anyag teljesítménye és a céltermék geometriai alakja határozza meg.

Amint azt korábban említettük, a titánpor részecskemérete általában durva, ami hajlamos a porkötőanyag szétválására a rozsdamentes acél anyag fröccsöntéséhez képest. A fröccsöntés előtt megfelelő alakítási folyamat paramétereket kell kialakítani a fröccsöntött anyag reológiai tulajdonságai alapján, hogy csökkentsék a formált tuskó hibáit.

Wang és mtsai. [25] fröccsöntő anyagokat készítettek Ti-6Al-4V ötvözet felhasználásával viaszpor alapú kötőanyag-rendszerrel kombinálva, és tesztelték és elemezték a fröccsöntött anyagok reológiai tulajdonságait különböző porterhelési mennyiségek és hőmérsékletek mellett, alapot biztosítva a fröccsöntési folyamat megfelelő alakítási paramétereinek kialakításához.

Park et al. aeroszolizált titánpor, HDH titánpor és szferoidizált HDH titánpor felhasználásával injekciós anyagokat készítettek, és mérték ezek reológiai tulajdonságait és leválasztási viselkedését. Javasolták a fröccsöntött anyag alakíthatósági indexét, és ez alapján értékelték a teljesítményét. Az elemzési eredmények elméleti alapot adtak a HDH por és az aeroszolos por egyidejű alkalmazásához az injekciós anyagrendszerben.

Barriere et al. [27] kísérleti és numerikus szimulációs eljárások alapján feltárta az optimális eljárási paramétereket a hibamentes és a szükséges mechanikai tulajdonságokkal rendelkező fém fröccsöntött alkatrészek előállításához. Modellezési technikák alapján egy kétfázisú áramlási egyenlet és egy újonnan kifejlesztett explicit algoritmus segítségével numerikus szimulációval előre jelezték a befecskendezési folyamat során fellépő anyagleválási jelenségeket.

Chen et al. [28] hidrogénezett, dehidrogénezett Ti-6Al-4V előötvözött por és vízoldható kötőanyag-rendszert használt a megjegyzés injektáló anyag elkészítéséhez, majd megmérte a vízoldható kötőanyag-komponens polietilénglikol eltávolítási sebességét. különböző vastagságú mintákban különböző hőmérsékleteken. A kötőanyagrendszer leválási mechanizmusának meghatározására diffúzióvezérelt lekötési matematikai modellt állítottam fel.

Sidambe [29] és mások a Taguchi-módszereket használták a szinterezési hőmérséklet, idő, fűtési sebesség, légkör és egyéb paraméterek optimális kombinációjának meghatározására.

Sem et al. [30] pálma-sztearát és polietilén kötőanyag-rendszerrel Ti – 6Al – 4V injekciós anyagot állított elő, és Taguchi módszerekkel alakította ki az optimális gyártási folyamatot. Végül egy 934,4 MPa folyáshatárú és 10 százalékos nyúlású mintát kaptunk, amelynek általános teljesítménye megfelelt az ASTM B348-02 orvosi titánötvözet követelményeinek.

Obasi et al. [31] Ti-6Al-4V próbatesteket készített, amelyek tulajdonságai megfelelnek az ASTM B348-02 titánötvözet 23. osztályának követelményeinek, és tanulmányozták az alapvető folyamatparaméter-rendszerek változásainak hatásait a hőhatásra. Ti-6Al-4V por MIM komponenseinek zsírtalanítási és szinterezési folyamatai.

Limberg et al. [32] Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C-t állított elő elemi porok keverékével a fröccsöntés során, és tanulmányozta a szinterezési idő hatásait és az atmoszféra a szakító tulajdonságokra és a mikroszerkezetre. Kb. 630 MPa szakítószilárdságú mintát kaptunk.

Guo et al. [8-9] tiszta titán és Ti-6Al-4V anyagokat készített fröccsöntési technológiával, és tanulmányozta a hőkezelési folyamatok, például a forró izosztatikus préselés és izzítás hatását a ötvözött anyag. A hőkezelési hatást minőségileg és mennyiségileg is jellemeztük mikroszerkezeti és mechanikai tulajdonságok vizsgálatával, melynek mikroszerkezetét a 4. ábra mutatja.

A megjegyzés injekciós anyagot porlasztott titánpor, hidrogénezett dehidrogénezett titánpor és viasz alapú kötőanyag rendszer összekeverésével állítják elő. A fröccsöntés után az oldószeres kötést heptán és etanol elegyében hajtják végre. A kötőanyagot teljesen eltávolítjuk, miután 350, 420 és 600 °C-ra melegítjük bizonyos fűtési sebesség mellett, és a szinterezési hőmérséklet 1230 °C 3 órán keresztül. Végül a szinterezett minta szakító tulajdonságai 389-419 MPa, a nyúlás pedig 2-4 százalék volt.

Kutatócsoportunk [33] tagjai aeroszolizált titánporból és vízoldható kötőanyagból álló rendszerrel tiszta titán mintákat készítettek, valamint a szinterezési hőmérséklet és a tartási idő hatását vizsgálták a tiszta titán minták tulajdonságaira. A szinterezési folyamatot 10-4-10-3 Pa vákuumfok alatt, 1350 °C szinterezési hőmérsékleten és 3 órás tartás után 20,3 százalékos nyúlás mellett végeztük. A minták teljes mértékben megfelelnek az ASTM F2989-13 legjobb porkohászati ​​teljesítményének, 96,9 százalékos relatív sűrűséggel és 443 MPa szakítószilárdsággal, Biomedical Grade II Pure Titanium Standard.

4 Viasz alapú alapanyagból előállított Ti (a) és Ti-6Al-4 V (b) minták mikroszerkezete

2 új titán és titánötvözet fröccsöntő anyag

A titánt és a titánötvözeteket jelenleg széles körben használják az ortopédiában, a fogászati ​​berendezésekben és az orvosi implantátumokban. Azonban a titán és az emberi csont közötti mechanikai tulajdonságok különbsége miatt (körülbelül 20 GPa rugalmassági modulussal) feszültségvédő hatások jönnek létre a csont/implantátum határfelületén, ami nagymértékben veszélyeztetheti a hosszú távú klinikai eredményeket, amint azt a 5. ábra.

Ezért a kutatók módosították a titán anyagok mechanikai tulajdonságait szerkezetük és ötvözet-összetételük megváltoztatásával, így közelebb kerültek az emberi test természetes csontjainak szerkezetéhez és teljesítményéhez.

5 Orvosbiológiai titánötvözetek rugalmassági modulusának összehasonlítása

2.1 Porózus titán anyagok és titán kerámia kompozitok

A porózus titán anyagok és az új titánötvözet rendszerű anyagok megfelelő pórusszerkezettel és mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, így ideális anyagok az ortopédiai helyettesítő implantátumokhoz.

Egyrészt hatékonyan tudja csökkenteni az implantátum és a csontszövet közötti stresszeltérést, ezáltal csökkentve a feszültségvédő hatást, és elérheti az implantátum tartós és hatékony működését; Másrészt a porózus szerkezet szükséges feltétele annak, hogy a csontsejtek benőjenek az implantátum testébe, és az egymással összefüggő porózus szerkezet nagy mennyiségű testfolyadékot engedhet át, tovább elősegítve a csontsejtek növekedését.

Gu és mtsai. új típusú, nyitott pórusú szerkezetű TC4 ötvözetet alakított ki a titán-alumínium-vanádium elemporhoz habosítószerként és aktivátorként TiH2 hozzáadásával, egyenletes pórusméret-eloszlással és pórusmérettel 90-190 μm között. A porozitás körülbelül 43-59 százalék, a rugalmassági modulus pedig 5,8 és 9,5 GPa között van. Engine et al. [35] több mikroporózus titánötvözetet állított elő porfröccsöntés (PIM) technológiával pórusképző szer technológiával kombinálva, és tanulmányozta a polimetil-metakrilát pórusképző szer mennyiségének hatását az ötvözet sűrűségére, nyomószilárdságára és rugalmassági modulusára.

Tuncer et al. [36] porlasztott gömb alakú porból, HDH titánporból és viaszalapú kötőanyagból álló rendszert használt, hogy megvizsgálja a kezdeti por hatását a végső porózus titántermék teljesítményére bizonyos mennyiségű NaCl és KCl hozzáadásával pórusképző szerként. Továbbá a pórusképző szerek mennyiségének beállításával az orvosi implantátumokhoz szükséges porozitású és pórusméretű porózus titán anyagot kaptunk, és az anyag kémiai összetétele megfelelhet a harmadik fokozatú tiszta titán szabványnak.

Chen et al. [37] NaCl-t használt pórusképző szerként és hidrogénezett dehidrogénezett titánpor viasz alapú injekciós anyagot fröccsöntött minták készítéséhez. A kapott minták porozitása 42,4% ~71,6%, pórusmérete 300 μm. Amint a 6. ábra mutatja. A felhasznált NaCl mennyiségének beállításával az injekciós részen belül egymással összefüggő pórusok jöhetnek létre, amelyek mechanikai tulajdonságai hasonlóak a szivacsos csontéhoz.

Barbosa et al. [38] először használt Fe22Cr port különböző kötőanyagrendszerekkel végzett injektáló anyagok reológiai tulajdonságainak tesztelésére. A teljesítményteszt eredményei alapján a megfelelő viasz alapú kötőanyag rendszert választottuk ki. Ezután a Ti port és a NaCl pórusképző szert kombináltuk melegsajtoláshoz és többkomponensű fröccsöntéshez. Zsírtalanítás és szinterezés után egy sűrű maggal és külső porozitási gradienssel rendelkező gerincimplantátum komponenst készítettem.

6 Porózus titán fröccsöntő alkatrész NaCl-t használva helytartóként

A hidroxiapatit (HA), amelynek kémiai összetétele és kristályszerkezete megegyezik az emberi természetes csontszövettel, egyedülálló előnyökkel rendelkezik a csontpótlásban és a csontrekonstrukcióban, és egyre fontosabb szerepet kezdett játszani az orvosbiológiai eszközökben.

A HA azonban nagy ridegsége és rossz mechanikai tulajdonságai miatt önmagában nem használható teherhordó komponensként, ami egy új típusú, HA-ból és titán anyagokból álló orvosbiológiai anyag megjelenését eredményezi.

Thian et al. [39-42] Ti6Al4V/HA kompozit anyagok előállítását vizsgálta fröccsöntési módszerrel. Először a Ti6Al4V/HA kompozit port állítottuk elő kerámia szuszpenziós módszerrel. Ezután az elkészített port összekevertük a kereskedelmi forgalomban kapható PAN-250S kötőanyaggal, hogy elkészítsünk egy megjegyzés injektáló anyagot. Vizsgálták a befecskendező anyag reológiai tulajdonságait, valamint tanulmányozták a hevítési sebesség és a leválási atmoszféra gázáramlási sebességének hatását a leválási hibákra, a kötőanyag eltávolítási mennyiségére és a leválási folyamat során a maradék széntartalomra; A szinterezési folyamat paramétereinek (hevítési sebesség, szinterezési hőmérséklet, tartási idő, hűtési sebesség stb.) hatása a végső minta teljesítményére, ami a minta körülbelül 50 százalékos porozitását eredményezi; Ezen túlmenően az elkészített Ti6Al4V/HA anyag biológiai lebomlási folyamatát a testfolyadék környezetben elemezték és jellemezték a mechanikai tulajdonságok vizsgálati eredményein keresztül.

2.2 Új titánötvözet anyagok

Az orvosbiológiai terület, mint a titán anyagok alkalmazásának egyik fontos ága, alkalmazási igényi iránya közvetlenül befolyásolja a titán anyagok fejlődési trendjét.

A korai titán anyagok tiszta titánt használtak (főleg fázisokból álltak, de a tiszta titán anyagoknak kisebb a szilárdsága és gyenge a kopásállósága, ami nagy szilárdságú és nagy szívósságú anyagok kifejlesztéséhez vezetett, amelyeket a Ti6Al4V, Ti6Al7Nb és Ti5Al2.5Fe plusz A típusú ötvözet képvisel .

Aust et al. [43] sikeresen gyártott kiváló teljesítménnyel rendelkező csontcsavar anyagokat Ti6Al7Nb por és viasz alapú kötőanyagrendszer (paraffin plusz PE plusz sztearinsav) felhasználásával, amint az a 7. ábrán látható. Az anyag relatív sűrűsége 97,6 százalék, szakítószilárdsága 815 MPa , folyáshatára 714 MPa, nyúlása 8,7 százalék.

A kutatási eredmények azt mutatták, hogy a széles körben használt titán-alumínium-vanádiumötvözetekben és titán-alumínium-nióbiumötvözetekben található ötvözetelemek, mint például az Al és V, citotoxikus Al- és V-ionokat szabadítanak fel, miután az implantátumok bejutnak az emberi szervezetbe, károsítva az emberi szervezetet.

Ennek eredményeként a kutatók egy sor új generációs kísérletet végeztek, amelyek biológiai biztonsági elemeket tartalmaznak, mint például Nb, Ta, Zr, Mo, Sn, de nem Al és V elemeket Titánötvözet rendszerek fejlesztése.

A jelenleg kifejlesztett és kutatott biológiai titánötvözetek főként a Ti-15Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-35Nb-7Zr-5Ta , Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr és Ti{{15} }Nb-13Ta-4.6Zr [44]. Különféle korlátozások, például a porgyártási technológia miatt ezeket az ötvözetrendszereket nem használják széles körben a porfröccsöntési eljárásokban.

Zhao et al. [45] titánport és nióbiumport használt fröccsöntési kísérletekhez a körülbelül 95 százalékos relatív sűrűségű TiNb kétfázisú ötvözetek sikeres előállításához. Zöld tuskó, bontó részek, szinterezett alkatrészek mechanikai tulajdonságainak tesztelésével, valamint a különböző ötvözet-összetételű szinterezett alkatrészek mikroszerkezetének megfigyelésével és összehasonlításával vizsgálták az Nb-tartalom hatását az ötvözet mikroszerkezetére és mechanikai tulajdonságaira.

Arokiasamy et al. [46] Ti-5Fe-5Zr ötvözetet állított elő úgy, hogy Fe és Zr elemeket adtunk a HDH tiszta titánporhoz, és megmérte az ötvözet mechanikai tulajdonságait. A vizsgálati eredmények alapján megkaptuk a maradék pórusok kialakulásának mechanizmusát és a TiC hatását az ötvözet anyag tulajdonságaira.

 

7. ábra Ti6Al7Nb 骨钉Ti6Al7Nb csontcsavar, amelyet a MIM készített

3 Kitekintés

A titán és titánötvözetek alacsony fajsúlya, nagy fajszilárdsága, kiváló biokompatibilitása, oxidációs ellenállása és jó korrózióállósága nagy fejlődési potenciállal rendelkezik az olyan alkalmazásokban, mint a repülőgépipar, az orvosi, vegyi, autóipari és napi fogyasztási cikkek.

A hagyományos feldolgozási technikákkal, mint például a kovácsolás, öntés és megmunkálás, a porfröccsöntés technológiájának nyilvánvaló előnyei vannak, mint például az egységes ötvözet-összetétel, a magas nyersanyag-felhasználási arány és az erős gyártási kapacitás nagy mennyiségű összetett alakú alkatrészek előállításához, ami nagyban elősegítheti. titán és titánötvözet termékek gyártása és alkalmazása.

Bár némi előrelépés történt a titán és titánötvözet fröccsöntésével kapcsolatos kutatások terén, a tényleges ipari gyártási folyamat során számos probléma megoldásra vár, mint például a kiváló minőségű por alapanyagok magas ára, az elégtelen átalakítás és alkalmazás. új, kiváló minőségű titánötvözet-rendszerek a fröccsöntésig, és nehézségekbe ütközik a termék kémiai összetételének ellenőrzése.

Emellett a mikrorendszer-technológia elmúlt évekbeli gyors fejlődésével a mikrorendszerekben alkalmazott mikrokomplex komponensek iránti kereslet folyamatosan növekszik. A porfröccsöntésnek át kell térnie a hagyományos terméktípusokról a mikrotermékekre, és tovább kell fejlődnie por mikrofröccsöntési technológiává.

Jelenleg a mikrofröccsöntési technológia leginkább az olyan anyagrendszerekre összpontosít, mint a polimerek és a rozsdamentes acél, és még mindig sok olyan kérdés van, amelyet tanulmányozni kell a titán és titánötvözetek mikrofröccsöntésével kapcsolatban.

Ezért a titán és titánötvözet fröccsöntéssel kapcsolatos kutatásának fejlesztése során az új titánötvözet rendszerek kutatására és fejlesztésére, az alacsony költségű és jó minőségű titánötvözet por-előkészítési technológiájának fejlesztésére, valamint a titánanyag mikro-fröccsöntésének tanulmányozására kell összpontosítani. alkalmas mikrokomplex eszközökhöz.

A titán és titánötvözet fröccsöntési technológiájával kapcsolatos kutatások elmélyülésével úgy gondolják, hogy a titán és titánötvözet fröccsöntés technológiája jelentős előrelépést fog elérni, elősegítve ezzel a titánipar gyors fejlődését.