Tehnologija brizganja metala u prahu od titanijuma i legure titana

Tehnologija brizganja metala u prahu od titanijuma i legure titana

 

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. je postigla masovnu proizvodnju kroz kontinuirano istraživanje i razvoj, inovacije, testiranje, procese brizganja metala titanijuma i legure titanijuma u 2008. Ako postoje kupci kojima je potrebna, pošaljite e-poštu: business- mall@zw-jm.com Predajte ga našoj kompaniji, a profesionalni inženjeri će vam odgovoriti blagovremeno u najkraćem radnom danu,

Sažetak

Titan i legure titanijuma imaju nisku specifičnu težinu, visoku specifičnu čvrstoću, odličnu biokompatibilnost i dobru otpornost na koroziju i imaju veliki potencijal primene u oblastima kao što su vazduhoplovstvo, biomedicina, hemijska i automobilska industrija.

Tehnologija brizganja metala u prahu od titanijuma i legura titanijuma (MIM) može postići veliku i jeftinu pripremu malih i srednjih proizvoda od titanijuma složenog oblika, što je od velikog značaja za promociju proizvodnje i primene proizvoda od titanijuma i legura titanijuma. .

Ovaj članak uvodi karakteristike i prednosti brizganja metalnog praha titana i legura titana. Sažima istraživački napredak tehnologije brizganja metala u prahu titanijuma i legure titanijuma sa aspekta praškastih sirovina, sistema veziva, brizganja praha, odvajanja i sinterovanja. Kao odgovor na glavne probleme koji trenutno postoje, analizira pravac istraživanja i perspektive razvoja brizganja metalnog praha titanijuma i legura titana.

Ključne riječi titanium; legura titana; Injekciono prešanje; Klasifikacioni broj napretka istraživanja TF125.2; TF125.2 plus 2

(Napomena urednika: engleski uvod izostavljen...)

Otkako je 1840-ih godina 18. stoljeća ovladao način industrijske proizvodnje za dobivanje metalnog titana iz rude, titan i legure titana su se široko koristile u industrijskim i komercijalnim objektima. Međutim, u poređenju sa čelikom, njegova godišnja proizvodnja je još uvijek mala, a zbog visoke cijene sirovina, opseg njegove primjene uglavnom je ograničen na pomorsku industriju, hemijsku industriju, avio industriju, medicinske uređaje, implantate, luksuznu robu i druge industrije sa visokim zahtevima za performanse materijala.

Trenutno, pored visokih cijena sirovina, teškoća prerade i oblikovanja titana i legura titana uvelike ograničava njihov opseg primjene.

Obradivost titanijuma i legura titanijuma je loša, a tradicionalne metode obrade imaju skupu opremu i nisku efikasnost obrade, što značajno povećava njihove troškove obrade; Struktura dijelova od titana koji se mogu strojno obrađivati ​​je vrlo jednostavna, a zbog ograničenja metoda obrade većina njih ne može postići dizajnerska rješenja koja mogu maksimizirati performanse materijala.

U tom kontekstu, brizganje metala (MIM), koje ima prednosti visoke iskorištenosti sirovina i niske cijene serijske proizvodnje, postalo je idealan proces obrade titana i legura titana [1-4].

Proces brizganja metalnog praha obično uključuje nekoliko osnovnih procesa kao što su priprema materijala za ubrizgavanje, brizganje, odvajanje, sinterovanje i neophodna naknadna obrada.

Kao što je prikazano na slici 1, metalni prah i komponente organskog veziva se prvo miješaju, miješaju i granuliraju kako bi se pripremio materijal za injekciju. Zatim se materijal za injektiranje ubrizgava u kalup na određenoj temperaturi i pritisku, hladi i uklanja iz kalupa kako bi se dobio zeleni proizvod specifičnog oblika. Zatim, kroz proces odvajanja, sve organske komponente osim metalnog praha se uklanjaju iz zelenog proizvoda, formirajući zeleni proizvod za odvajanje. Konačno, vrši se sinterovanje kako bi se dobile željene performanse proizvoda.

Tehnologija brizganja metalnog praha postigla je organsku kombinaciju injekcijskog prešanja i tradicionalne tehnologije metalurgije praha, prevazilazeći nedostatke visokih troškova obrade, jednostavnog oblika tradicionalnog procesa kalupljenja, niske proizvodne efikasnosti izostatičkog prešanja i procesa brizganja, mnoge nedostatke u tradicionalnom proces livenja i niska preciznost tolerancije. Uvelike je promovirao proizvodnju i primjenu titanijuma i proizvoda od legura titanijuma (kao što je prikazano na slici 2).

1 Dijagram toka titanijuma i legura titanijuma koje proizvodi MIM

 

2 Primjena titanijuma i legura titanijuma koje proizvodi MIM

 

Istraživački status titanijuma i titanijumskih legura metalnog praha brizganjem

Istraživanja su pokazala da na mehanička svojstva, otpornost na koroziju i biomedicinska svojstva titanijuma i brizganih proizvoda od legura titanijuma u velikoj meri utiču četiri aspekta: relativna gustina, sadržaj nečistoća, elementi legure i mikrostruktura.

Nakon što se proizvod za brizganje sinterira, njegova relativna gustina je oko 95 posto, a postojat će i određeni udio zaostalih pora.

Ove zaostale pore će postati izvor pukotina kada se uzorak slomi i imaju veći utjecaj na vlačnu čvrstoću, duktilnost, žilavost loma, čvrstoću na zamor i druga mehanička svojstva materijala. Stoga, što je veća relativna gustoća titanijuma i titanijumskih legura brizganih proizvoda, to su njihova mehanička svojstva bolja.

Elementi nečistoća kao što su kisik, ugljik, dušik, vodonik, itd., posebno kisik, mogu povećati granicu tečenja, vlačnu čvrstoću i tvrdoću materijala, smanjujući duktilnost. Na temperaturi sinterovanja, elementi nečistoće se otapaju u matričnom titanijumu. Zbog nedostatka efikasnih redukcionih sredstava, teško je kontrolisati elemente nečistoća u titanijumu i legurama titana tokom procesa sinterovanja. To zahtijeva minimiziranje količine kisika dodanog sirovinama i svakom sljedećem koraku procesa.

Mikrostruktura titanijuma i legura titana, uključujući veličinu zrna i fazni sastav nakon sinterovanja, može uticati na mehanička svojstva materijala. Sve u svemu, injekcijski liveni materijali od titana i legura titanijuma sa odličnim performansama imaju visoku gustoću, nizak sadržaj nečistoća (obično sadržaj kiseonika), odgovarajući sastav legure, finu veličinu zrna tokom zgušnjavanja i manje defekata [5].

1.1 Sirovine u prahu

Odabir praškastih sirovina važan je korak u procesu brizganja titanovog praha. Raspodjela veličine čestica i morfologija praha direktno utiču na fluidnost i formabilnost smjese za brizganje, zadržavanje oblika zelenog tijela tokom procesa odljepljivanja i brzinu skupljanja tokom procesa sinterovanja.

Uobičajene metode za pripremu praha titana i legura titana uključuju mehaničku metodu i metodu atomizacije.

Oblik praha dobiven mehaničkim metodama kao što su mljevenje kuglicama, mljevenje kuglicama uz miješanje, visokoenergetsko vibraciono mljevenje kuglica i usitnjavanje zraka je općenito nepravilan ili ugao.

Proces hidrogenacije dehidrogenacije (HDH) koristi očigledne karakteristike krtosti titanijuma nakon apsorpcije vodonika. Usitnjava se mehaničkim mljevenjem ili drobljenjem strujanjem zraka, a zatim se podvrgava dehidrogenaciji kako bi se dobio titanijum u prahu nepravilnog oblika, kao što je prikazano na slici 3 (a). Metoda atomizacije (kao što je atomizacija inertnog plina, atomizacija rotirajuće elektrode plazma snopom i atomizacija plina za topljenje elektrode) može se provesti u potpuno inertnoj atmosferi, kako bi se održala visoka čistoća sirovog praha. Pripremljeni prah je sfernog oblika i ima prilično široku distribuciju veličine čestica, sa dobrim performansama slaganja, kao što je prikazano na slici 3 (b).

Osim toga, za razliku od tehnologije proizvodnje čeličnog praha, proizvodnja finijeg titanovog praha je teža. Kako se veličina čestica smanjuje, povećava se specifična površina, a povećava se i sadržaj nečistoća.

Tipično, MIM koristi titanijum u prahu sa veličinom čestica manjom od 45 μm. Kada su čestice praha prevelike, proces ubrizgavanja je sklon odvajanju veziva praha i stvaranju defekata. Potrebno je u potpunosti razmotriti dizajn sastava materijala za injektiranje i dizajn kalupa [5].

Slika 3 HDH (a) i gas atomizirani (b) prah titanijuma koji se koristi u MIM-u

1.2 Ljepilo

Vezivo je nosač koji postoji u fazama tokom čitavog procesa brizganja, a njegova glavna funkcija je ravnomjerno punjenje kalupa prahom u tečnom stanju, formiranje željenog oblika i održavanje do faze predsinterovanja.

U procesu brizganja, vezivo treba da ima sledeće karakteristike: nisku tačku topljenja, dobru kvašenje na čestice praha i brzo očvršćavanje, što je pogodno za pripremu materijala za injektiranje; Ima dobru tečnost na temperaturi ubrizgavanja; Nakon formiranja, može se lako ukloniti iz gredice, sa manje ostatka materijala i netoksičnih i nekorozivnih proizvoda raspadanja.

Općenito govoreći, komponente veziva uključuju barem glavnu komponentu i sekundarne komponente:

Glavna komponenta se koristi za vlaženje čestica metalnog praha i obezbjeđivanje potrebne tečljivosti, dok sekundarna komponenta osigurava da injekciono zeleno tijelo i dalje ima dovoljnu čvrstoću tokom procesa injektiranja i nakon uklanjanja glavne komponente veziva.

U većini slučajeva, sistem veziva ima treću komponentu, kao što su surfaktanti, za poboljšanje kompatibilnosti između metalnih prahova i polimera.

Prema različitim glavnim komponentama u komponentama veziva, najčešće korišćeni sistemi veziva mogu se podeliti na sisteme zasnovane na vosku, sisteme zasnovane na aromatičnim jedinjenjima, sisteme na bazi polioksimetilena i sisteme na bazi vode.

1.2.1 Vezivo na bazi voska

Uobičajeni voskovi za sistemska veziva na bazi voska uključuju nekoliko polimera kratkog lanca kao što su parafin, pčelinji vosak, palmin vosak, itd. Imaju nisku tačku topljenja, dobru sposobnost vlaženja, kratke molekularne lance, niski viskozitet i manje promjene zapremine tokom razlaganja u odnosu na druge polimera, što je pogodno za osiguravanje točnosti dimenzija proizvoda.

Uobičajene sekundarne komponente sistema na bazi voska uključuju polipropilen, polietilen, kopolimer etilen vinil acetata i polimetil metakrilat visoke molekularne težine. Pored voska i veziva za skelet, obično se dodaje surfaktant kao što je stearinska kiselina kako bi se poboljšala kompatibilnost između praha i polimera.

Najraniji prijavljeni sistem veziva na bazi voska u literaturi bio je Kaneko et al. [6], koji je koristio parafin polibutil metakrilat etilen vinil acetat kopolimer dibutil ftalat kao vezivo i titanijum u prahu za pripremu materijala za injekciju. Opterećenje prahom iznosilo je 56 posto, a nakon odvajanja sinterovano je na 1300 stepeni C i 1,3 Pa. Dobijeni sinterovani uzorak je imao relativnu gustinu od 94 posto i čvrstoću na pritisak od 1000 MPa, ali je zbog visokog sadržaja nečistoća. gotovo da nije imao duktilnost.

Kato et al. [7] proučavali su proces odvajanja u dva koraka koji kombinuje vakuumsko odvajanje i odvajanje u atmosferi argona, što je značajno smanjilo sadržaj ugljika i kisika u sinteriranim dijelovima.

Guo et al. [8-9] je koristio polietilen glikol sa boljom kvašenjem da zameni nešto parafina i razvio sistem vezivanja parafin polietilen polietilen polipropilen stearinsku kiselinu, koji je korišćen u brizganju čistog titanijuma i legura titanijum aluminijum vanadijuma. Sinterovani delovi su imali dobro zadržavanje oblika i talasno kretanje malih inča. Zbog smanjenja sadržaja kisika i ugljika, performanse su znatno poboljšane, što je rezultiralo dobrim performansama.

Osim toga, istraživači su koristili palmin vosak kao djelomičnu zamjenu za parafinski vosak [10-13] i palmino ulje kao potpunu zamjenu za parafinski vosak [14] za sistem vezivanja na bazi voska, koji ima dobre efekte formiranja. Međutim, zbog elementa kisika sadržanog u samom palminom vosku, on je također izvor poboljšanja kisika,

Trenutno, optimalni sistem veziva na bazi voska koji je objavljen u literaturi predložili su Friederici i sar. [15]. Tokom eksperimentalnog procesa formirana su četiri omjera veziva podešavanjem proporcija parafina, polietilena niske gustine i stearinske kiseline, a na osnovu ovih omjera formirani su, odvezani i sinterirani različiti materijali za injektiranje. Dobijen je uzorak relativne gustine od 98,1 posto i hemijskog sastava koji zadovoljava zahtjeve sekundarnog čistog titanijuma.

Sistemi veziva na bazi voska igraju važnu ulogu u brizganju, ali zbog niske efikasnosti odvajanja rastvarača pomoću organskih rastvarača, istraživači su kontinuirano inovirali i razvijali nove sisteme veziva.

1.2.2 Veziva na bazi aromatičnih jedinjenja

Aromatična jedinjenja (kao što su naftalen, antracen, itd.) mogu se rastvoriti na veoma niskim temperaturama, a pod uslovima niskog pritiska mogu se direktno transformisati iz čvrste supstance u gas sublimacijom na temperaturama ispod njihove tačke topljenja. Upotreba aromatičnih jedinjenja kao vezivnih komponenti može značajno poboljšati efikasnost procesa odvajanja.

Weil et al. [16-18] je koristio aromatična jedinjenja u brizganju titanijum metalnog praha. U svom istraživanju, guste legure titanijum-aluminijum-vanadijuma i porozne legure titanijum-aluminijum-vanadijuma su pripremljene korišćenjem naftalena, 1% masenog udela stearinske kiseline i 3 do 12% masenog udela etilen acetata i etilen kopolimera kao veziva.

Tokom eksperimenta, zbog direktne sublimacije naftalena u gas, nije se pojavila tečna faza tokom procesa odvajanja, a zapremina uzorka se nije menjala. Za razliku od odmašćivanja rastvaračem, površinska energija uključena u metodu sublimacije je relativno niska, što znači da se uobičajeni defekti odmašćivanja kao što su deformacija i pucanje mogu izbjeći. Na kraju je relativna gustina sinterovanog uzorka iznosila 96,6 posto, a sadržaj ugljika se nije povećao.

Iako je adhezivni sistem postigao odlične performanse proizvoda, aromatična jedinjenja u sistemu i dalje imaju uticaj na životnu sredinu i fizičko zdravlje i nisu dalje proučavana ili primenjena u velikim razmerama.

1.2.3 Vezivo na bazi polioksimetilena

Poliformaldehid je prvi put upotrijebio Celanese Corp u vezivnom sistemu 1984. godine, a kasnije ga je razvio BASF, što je omogućilo da komponente veziva ne sadrže vosak ili komponente male molekularne težine [19].

Poliformaldehid je glavna komponenta ovog vezivnog sistema, a polietilen (PE) se postepeno dodaje kao skeletno vezivo tokom kasnijeg procesa razvoja.

Trenutno, BASF je formirao materijale za brizganje na bazi ovog veziva, pokrivajući mnoge materijale kao što su niskolegirani čelik, nerđajući čelik, alatni čelik, titanijum i legure titana i keramika.

Značajna karakteristika poliformaldehida je njegova osjetljivost na kisele reagense i osjetljivost na kiselu razgradnju. Stoga se zeleno tijelo može tretirati u kiseloj atmosferi ispod njegove temperature omekšavanja. Proces polioksimetilena je u čvrstom stanju, izbjegavajući defekte kao što su pukotine i ekspanzija uzrokovana ključanjem komponenti veziva. Štoviše, deformacija je mala, zadržavanje oblika je dobro, a kontrola veličine je precizna.

Osim toga, zbog visoke stope difuzije, u usporedbi s drugim metodama odmašćivanja, brzina odmašćivanja je veća, dostižući 10 puta veću stopu od tradicionalnog odvajanja otapala, uz istovremeno uklanjanje deblje veličine [20].

Iako sistem veziva na bazi polioksimetilena ima mnogo gore navedenih prednosti, ima i mnoge nedostatke.

Proces katalitičkog odvajanja često koristi vrlo korozivnu paru dušične kiseline kao katalizator. S jedne strane, poliformaldehid se može razgraditi tokom pripreme materijala za brizganje i faza brizganja, stvarajući visoko toksičan formaldehid. Štaviše, produkti raspadanja moraju biti uklonjeni sagorevanjem u dva koraka. S druge strane, kisela atmosfera koja igra katalitičku ulogu ima veću korozivnost za opremu, što zahtijeva više ulaganja.

1.2.4 Vezivo na bazi vode

Rastvarači za odvajanje (kao što su heptan i heksan) ili produkti razgradnje komponenti vezivnog sredstva (monomeri aromatičnog jedinjenja i formaldehid) koji se koriste u gore pomenutim nekoliko sistema veziva su manje ili više štetni za okolinu i operatere. Zbog toga je razvoj i upotreba ekološki prihvatljivih sistema vezivnih sredstava otapala od velikog značaja.

Postojeći ekološki prihvatljiv sistem veziva koristi vodu kao rastvarač za odvajanje.

Prema različitim ulogama vode u pripremi materijala za injektiranje, ovaj sistem veziva se može podijeliti na baziran na gelu i bez gela.

Uobičajeni polimer koji se koristi u sistemima koji nisu zasnovani na gelu je polietilen glikol, koji ima dobre performanse i jeftin je i lak za nabavku. Polietilen glikol male molekularne težine može se brzo i gotovo potpuno ukloniti na 60 stepeni C, sa uobičajenim rasponom molekularne težine od oko 500-2000. Uobičajeno korišćeno vezivo za skelet je polimetil metakrilat sa molekulskom težinom od 10000.

Sidambe et al. [21] koristili su u vodi rastvorljivu vezivu komponentu polietilen glikol polimetil metakrilat stearinske kiseline za proučavanje sa stopom punjenja praha od 69 posto.

U eksperimentu, polietilen glikol je potpuno uklonjen u vodi na 55 stepeni C nakon 5 sati, a polimetil metakrilat je u potpunosti uklonjen u toplom strujanju gasa argona na 440 stepena C. Konačni sadržaj kiseonika (maseni udio) pripremljenog uzorka je 0,2 posto, sa odgovarajućom vlačnom čvrstoćom od 850-880 MPa i izduženjem od 8,5 posto -16 posto, što zadovoljava standard ASTM razreda 5 Ti.

Većina veziva na bazi gela su prirodne supstance, kao što su celuloza, škrobni agar itd.

Tokura i dr. [22] koristili su agar za zamjenu polimernih veziva u titanijumskom prahu injekcijskim prešanjem i proučavali termičku stabilnost, rastvorljivost i viskozitet materijala za injekcije ovog vezivnog sistema.

Suzuki [24] et al. pripremio 97,3 posto uzoraka relativne gustine korištenjem agar (molekulske mase 82 500) veziva koji sadrži 4 posto masenog udjela. Maseni udjeli ugljika i kisika u uzorcima su 0.33 posto i 0.3 posto, respektivno. Granica tečenja je 539 MPa, a istezanje je oko 10 posto. Eksperimentalni rezultati pokazuju da se pri korištenju agara visoke molekularne težine povećava čvrstoća gela, ali je visok sadržaj zaostalog ugljika i kisika, što rezultira manjom gustoćom sinterovanja, vlačnom čvrstoćom i izduženjem sinteriranih komada.

Vezivo na bazi vode bez gela je lako kontrolisati, oprema za odmašćivanje je jeftinija od drugih metoda odmašćivanja, a vezivo je biorazgradivo i netoksično za mikroorganizme, ali tretman otpadnih voda za odmašćivanje zahteva dodatne troškove.

Teško je kontrolisati veličinu finalnih delova proizvedenih pomoću gela baziranog na vezivnom sistemu za injekcijsko prešanje, a sastav nije dovoljno stabilan, pa su uslovi procesa i kontrola kvaliteta otežani, a dalja istraživanja i optimizacija su i dalje potrebna.

1.3 Injekciono prešanje, odvajanje i sinterovanje

Parametri procesa brizganja određuju se performansama materijala za brizganje i geometrijskim oblikom ciljanog proizvoda.

Kao što je ranije spomenuto, veličina čestica titanovog praha je obično gruba, što je sklono odvajanju veziva u prahu u usporedbi s brizganjem materijala od nehrđajućeg čelika. Prije brizganja, potrebno je razviti odgovarajuće parametre procesa oblikovanja na osnovu reoloških svojstava materijala za injektiranje kako bi se smanjili defekti u formiranoj gredici.

Wang et al. [25] je pripremio materijale za injekcijsko prešanje koristeći Ti-6Al-4V leguru u kombinaciji sa sistemom veziva na bazi praškastog voska, te testirao i analizirao reološka svojstva materijala za injektiranje pod različitim količinama i temperaturama punjenja praha, pružanje osnove za razvoj odgovarajućih parametara oblikovanja za proces brizganja.

Park i dr. pripremali injekcijske materijale koristeći aerosolizirani titanijum u prahu, HDH titanijum u prahu i sferoidizovani HDH titanijum u prahu, i izmerili njihova reološka svojstva i ponašanje pri odvajanju. Predložili su indeks formabilnosti za injekcijski materijal i na osnovu toga ocijenili njegove performanse. Rezultati analize dali su teorijsku osnovu za istovremenu upotrebu HDH praha i praha u obliku aerosola u sistemu injekcionog materijala.

Barriere et al. [27] su na temelju eksperimentalnih i numeričkih simulacijskih procesa istraživali optimalne procesne parametre za proizvodnju metalnih brizganih dijelova bez defekata i sa potrebnim mehaničkim svojstvima. Na osnovu tehnika modeliranja, dvofazna jednadžba strujanja i novorazvijeni eksplicitni algoritam korišćeni su za predviđanje fenomena odvajanja materijala tokom procesa injektiranja pomoću numeričke simulacije.

Chen et al. [28] je koristio hidrogenirani dehidrogenirani Ti-6Al-4V prah predlegure i sistem veziva rastvorljivog u vodi za pripremu materijala za injekciju, a zatim je izmjerio brzinu uklanjanja polietilen glikola rastvorljive u vodi vezivne komponente u uzorcima različite debljine na različitim temperaturama. Za određivanje mehanizma odvajanja vezivnog sistema uspostavljen je matematički model odvajanja kontroliranog difuzijom.

Sidambe [29] i drugi su koristili Taguchijeve metode za određivanje optimalne kombinacije temperature sinteriranja, vremena, brzine zagrijavanja, atmosfere i drugih parametara.

Nor et al. [30] je pripremio materijal za injektiranje Ti – 6Al – 4V korištenjem palminog stearata i polietilenskog vezivnog sistema i formulirao optimalni proizvodni proces primjenom Taguchi metoda. Konačno, dobijen je uzorak s granom tečenja od 934,4 MPa i izduženjem od 10 posto, a njegove ukupne performanse su zadovoljile zahtjeve ASTM B{6}} medicinske legure titanijuma.

Obasi i dr. [31] je pripremio Ti-6Al-4V uzorke sa svojstvima koja zadovoljavaju zahtjeve ASTM B348-02 legure titana razreda 23, te proučavao efekte promjena u sistemima osnovnih procesnih parametara na termičku procesi odmašćivanja i sinterovanja Ti-6Al-4V prah MIM komponenti.

Limberg et al. [32] je pripremio Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C koristeći mješavinu elementarnih prahova tokom procesa brizganja i proučavao efekte vremena sinterovanja i atmosfera na vlačna svojstva i mikrostrukturu. Dobijen je uzorak vlačne čvrstoće od oko 630 MPa.

Guo et al. [8-9] je pripremio čisti titanijum i Ti-6Al-4V materijale koristeći tehnologiju brizganja i proučavao efekte procesa termičke obrade kao što je vruće izostatičko presovanje i žarenje na svojstva legirani materijal. Učinak toplinske obrade je kvalitativno i kvantitativno okarakterisan ispitivanjem mikrostrukture i mehaničkih svojstava, a njegova mikrostruktura je prikazana na slici 4.

Primedba materijal za injekciju se priprema mešanjem atomizovanog praha titanijuma, hidrogenizovanog dehidrogenizovanog titanijuma u prahu i sistema vezivanja na bazi voska. Nakon brizganja, odvajanje otapala se provodi u mješavini heptana i etanola. Vezivo se potpuno uklanja nakon zagrevanja na 350, 420 i 600 stepeni C pri određenoj brzini zagrevanja, a temperatura sinterovanja je 1230 stepeni C tokom 3 sata. Konačno, vlačna svojstva sinterovanog uzorka su bila 389-419 MPa, a istezanje je bilo 2-4 posto.

Članovi naše istraživačke grupe [33] pripremili su uzorke čistog titanijuma koristeći sistem aerosolizovanog titanijumovog praha i veziva rastvorljivog u vodi, i proučavali uticaj temperature sinterovanja i vremena zadržavanja na svojstva uzoraka čistog titanijuma. Proces sinterovanja je izveden pod vakuumom od 10-4-10-3 Pa, sa temperaturom sinterovanja od 1350 stepeni C i elongacijom od 20,3 posto nakon držanja od 3 sata. Uzorci su u potpunosti usklađeni sa najboljim performansama metalurgije praha ASTM F2989-13, sa relativnom gustinom od 96,9 posto i zateznom čvrstoćom od 443 MPa, biomedicinski standard čistog titanijuma II stepena.

4 Mikrostrukture uzoraka Ti (a) i Ti-6Al-4V (b) pripremljenih sirovinama na bazi voska

2 Novi materijali za injekcijsko prešanje titana i legura titanijuma

Titan i legure titana trenutno se široko koriste u ortopediji, stomatološkoj opremi i medicinskim implantatima. Međutim, zbog razlike u mehaničkim svojstvima između titanijuma i ljudske kosti (sa modulom elastičnosti od oko 20 GPa), efekti zaštite od naprezanja nastaju na međukost/implantat, što može uvelike ugroziti dugoročne kliničke rezultate, kao što je prikazano u Slika 5.

Stoga su istraživači prilagodili mehanička svojstva titanijumskih materijala mijenjajući njihovu strukturu i sastav legure, čineći ih bližim strukturi i performansama prirodnih kostiju u ljudskom tijelu.

5 Poređenje modula elastičnosti biomedicinskih legura titanijuma

2.1 Porozni titanijumski materijali i titan-keramički kompoziti

Porozni materijali od titanijuma i novi sistemi od legura titanijuma imaju odgovarajuću strukturu pora i mehanička svojstva, što ih čini idealnim materijalima za ortopedske nadomjesne implantate.

S jedne strane, može efikasno smanjiti neusklađenost stresa između implantata i koštanog tkiva, čime se smanjuje efekat zaštite od stresa i postiže dugotrajna i efikasna funkcija implantata; S druge strane, porozna struktura je neophodan uslov da koštane ćelije urastu u tijelo implantata, a međusobno povezana porozna struktura može omogućiti prolazak velike količine tjelesne tekućine, dodatno podstičući rast koštanih stanica.

Gu et al. formirao je novi tip TC4 legure sa strukturom otvorenih pora dodavanjem TiH2 kao agensa za pjenjenje i aktivatora prahu titanijum-aluminijum-vanadij elementa, sa ujednačenom distribucijom veličine pora i veličinom pora u rasponu od 90 do 190 μm. Poroznost je oko 43 posto ~59 posto, a modul elastičnosti se kreće od 5,8 do 9,5 GPa. Engine et al. [35] pripremili su više mikroporozne legure titana koristeći tehnologiju brizganja u prahu (PIM) u kombinaciji sa tehnologijom sredstva za formiranje pora i proučavali uticaj količine polimetil metakrilata agensa za formiranje pora na gustoću, čvrstoću na pritisak i modul elastičnosti legure.

Tuncer et al. [36] koristili su sistem atomiziranog sferičnog praha, HDH titanovog praha i veziva na bazi voska za proučavanje efekta početnog praha na performanse konačnog poroznog proizvoda od titanijuma dodavanjem određene količine NaCl i KCl kao sredstava za formiranje pora. Nadalje, podešavanjem količine sredstava za formiranje pora, dobijen je porozni materijal od titana sa potrebnom poroznošću i veličinom pora za medicinske implantate, a hemijski sastav materijala mogao bi zadovoljiti standard trećeg razreda čistog titanijuma.

Chen et al. [37] koristili su NaCl kao sredstvo za formiranje pora i hidrogenirani dehidrogenirani titanijum u prahu injekcioni materijal na bazi voska za pripremu brizganih uzoraka. Dobiveni uzorci su imali poroznost od 42,4 posto ~71,6 posto i veličinu pora od 300 μm. Kao što je prikazano na slici 6. Podešavanjem količine upotrijebljenog NaCl, unutar dijela za injekciju mogu se formirati međusobno povezane pore, a njihova mehanička svojstva su slična onima spužvaste kosti.

Barbosa i dr. [38] je prvi put koristio Fe22Cr prah za testiranje reoloških svojstava materijala za injektiranje s različitim sistemima veziva. Na osnovu rezultata ispitivanja performansi odabran je odgovarajući sistem veziva na bazi voska. Zatim su Ti prah i sredstvo za formiranje pora NaCl kombinovani za toplo prešanje i višekomponentno brizganje. Nakon odmašćivanja i sinterovanja, pripremljena je komponenta implantata za kralježnicu s gustom jezgrom i vanjskim gradijentom poroznosti.

6 Porozna komponenta za brizganje titanijuma koristeći NaCl kao držač prostora

Hidroksiapatit (HA), sa istim hemijskim sastavom i kristalnom strukturom kao ljudsko prirodno koštano tkivo, ima jedinstvene prednosti u zamjeni kostiju i rekonstrukciji kostiju, te je počeo da igra sve važniju ulogu u biomedicinskim uređajima.

Međutim, zbog svoje visoke krhkosti i loših mehaničkih svojstava, HA se ne može koristiti samo kao nosiva komponenta, što je rezultiralo pojavom nove vrste biomedicinskog materijala sastavljenog od HA i materijala od titana.

Thian et al. [39-42] je proučavao pripremu kompozitnih materijala Ti6Al4V/HA metodom injekcijskog prešanja. Prvo je pripremljen kompozitni prah Ti6Al4V/HA metodom keramičke suspenzije. Zatim je pripremljeni prah pomiješan sa komercijalnim vezivom PAN-250S da bi se pripremio materijal za injektiranje napomena. Ispitivana su reološka svojstva materijala za injektiranje, te su proučavani efekti brzine zagrijavanja i protoka plina u atmosferi za odvajanje na defekte odvajanja, količinu uklanjanja veziva i sadržaj zaostalog ugljika tokom procesa odljepljivanja; Utjecaj parametara procesa sinteriranja (brzina zagrijavanja, temperatura sinteriranja, vrijeme zadržavanja, brzina hlađenja, itd.) na performanse konačnog uzorka, što rezultira poroznošću od oko 50 posto uzorka; Pored toga, analiziran je i karakteriziran proces biološke degradacije pripremljenog Ti6Al4V/HA materijala u okruženju tjelesne tekućine kroz rezultate ispitivanja mehaničkih svojstava.

2.2 Novi materijali od legure titana

Područje biomedicine, kao važna grana primjene titanijumskih materijala, smjer njegove primjene direktno utiče na trend razvoja titanijumskih materijala.

Rani titanijumski materijali su koristili čisti titan (uglavnom se sastoje od faza, ali čisti titanijumski materijali imaju nižu čvrstoću i slabu otpornost na habanje, što dovodi do razvoja materijala visoke čvrstoće i žilavosti predstavljenih Ti6Al4V, Ti6Al7Nb i Ti5Al2.5Fe plus legura tipa A .

Aust et al. [43] uspješno su proizveli koštane vijčane materijale sa odličnim performansama koristeći prah Ti6Al7Nb i sistem veziva na bazi voska (parafin plus PE plus stearinska kiselina), kao što je prikazano na slici 7. Materijal ima relativnu gustinu od 97,6 posto, vlačnu čvrstoću od 815 MPa , granica tečenja 714 MPa, i istezanje od 8,7 posto.

Rezultati istraživanja su pokazali da elementi legura poput Al i V u široko korištenim legurama titan-aluminij-vanadijuma i titan-aluminij-niobijum legurama oslobađaju citotoksične Al i V ione nakon što implantati uđu u ljudsko tijelo, uzrokujući štetu ljudskom tijelu.

Kao rezultat toga, istraživači su sproveli niz eksperimenata nove generacije koji sadrže elemente biološke sigurnosti kao što su Nb, Ta, Zr, Mo, Sn, ali ne i Al i V elemente. Razvoj sistema legure titanijuma.

Trenutno razvijene i istražene biološke legure titanijuma uglavnom uključuju 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]. Zbog različitih ograničenja kao što je tehnologija proizvodnje praha, ovi sistemi legura se ne koriste široko u procesima brizganja praha.

Zhao et al. [45] koristili su titanijum u prahu i niobijum u prahu za eksperimente ubrizgavanja za uspešnu pripremu dvofaznih legura TiNb sa relativnom gustinom od oko 95 procenata. Ispitivanjem mehaničkih svojstava zelenih gredica, dijelova za odljepljivanje i sinteriranih dijelova, kao i promatranjem i poređenjem mikrostrukture sinteriranih dijelova s ​​različitim sadržajem sastava legure, proučavan je utjecaj sadržaja Nb na mikrostrukturu i mehanička svojstva legure.

Arokiasamy et al. [46] je pripremio leguru Ti-5Fe-5Zr dodavanjem Fe i Zr elemenata u HDH čisti titanijum u prahu i izmjerio mehanička svojstva legure. Na osnovu rezultata ispitivanja dobijen je mehanizam zaostalih pora i uticaj TiC na svojstva legiranog materijala.

 

Fig.7Ti6Al7Nb 骨钉Ti6Al7Nb koštani vijak pripremljen od strane MIM-a

3 Outlook

Niska specifična težina, visoka specifična čvrstoća, odlična biokompatibilnost, otpornost na oksidaciju i dobra otpornost na koroziju titanijuma i legura titanijuma imaju veliki razvojni potencijal u aplikacijama kao što su vazduhoplovstvo, medicinska, hemijska, automobilska i potrošna roba.

U poređenju sa tradicionalnim tehnikama obrade kao što su kovanje, livenje i obrada, tehnologija brizganja u prahu ima očigledne prednosti, kao što su ujednačen sastav legure, visoka stopa iskorišćenja sirovina i snažan proizvodni kapacitet za velike količine složenih delova, što može u velikoj meri unaprediti proizvodnju i primjenu titanijuma i proizvoda od legura titana.

Iako je postignut određeni napredak u istraživanju injekcijskog prešanja titana i legura titanijuma, još uvijek je potrebno riješiti niz problema u stvarnom procesu industrijske proizvodnje, kao što su visoka cijena visokokvalitetnih praškastih sirovina, nedovoljna konverzija i primjena. novih sistema od visokokvalitetnih legura titanijuma za brizganje i poteškoće u kontroli hemijskog sastava proizvoda.

Osim toga, s brzim razvojem tehnologije mikrosistema posljednjih godina, potražnja za mikrokompleksnim komponentama koje se primjenjuju u mikrosistemima nastavlja rasti. Injekciono prešanje u prahu treba da se pređe sa tradicionalnih tipova proizvoda na mikro proizvode i da se razvije u tehnologiju mikro brizganja praha.

Trenutno je tehnologija mikrobrizganja uglavnom fokusirana na sisteme materijala kao što su polimeri i nehrđajući čelik, a još uvijek postoje mnoga pitanja koja treba proučiti u mikro brizganju titanijuma i legura titana.

Stoga bi se razvoj istraživanja ubrizgavanja titanijuma i legura titanijuma trebao fokusirati na istraživanje i razvoj novih sistema legura titanijuma, razvoj jeftine i visokokvalitetne tehnologije pripreme praha od legure titana i proučavanje mikro brizganja materijala titanijuma. pogodan za mikrosložene uređaje.

Uz produbljivanje istraživanja tehnologije brizganja titana i legura titana, vjeruje se da će tehnologija titanijuma i legura titanijuma ubrizgavanjem postići značajan napredak, čime će se promovirati brzi razvoj industrije titana.