Прогресс в исследованиях технологии литья под давлением металлического порошка из титана и титанового сплава

Прогресс в исследованиях технологии литья под давлением металлического порошка из титана и титанового сплава

--Источник: CNKI, организация: Zhongwei Precision Editor--

Всего в тексте 16900 слов, а время чтения: 45 минут.

Резюме

Титан и титановые сплавы имеют низкий удельный вес, высокую удельную прочность, отличную биосовместимость и хорошую коррозионную стойкость, а также имеют большой потенциал применения в аэрокосмической, биомедицинской, химической, автомобильной и других областях.

Технология литья под давлением (MIM) из титана и металлического порошка титанового сплава может обеспечить массовое и недорогое изготовление малых и средних титановых изделий сложной формы, что имеет большое значение для продвижения производства и применения титана и титана. изделия из сплава.

В этой статье представлены характеристики и преимущества литья под давлением металлического порошка из титана и титановых сплавов, обобщается прогресс исследований в области технологии литья под давлением металлического порошка из титана и титановых сплавов из порошкового сырья, связующей системы, литья под давлением порошка, разрыхления и спекания, а также анализируются направления исследований и перспективы развития литья под давлением металлических порошков из титана и титановых сплавов по основным проблемам в настоящее время.

Ключевые слова Титан; Титановый сплав; Литье под давлением; Классификация результатов исследований № TF125.2; TF125.2 плюс 2

С 1840-х годов, когда люди освоили промышленный производственный способ получения металлического титана из руд, титан и титановые сплавы стали широко применяться в промышленных и коммерческих объектах. Однако по сравнению со сталью его годовой объем производства все еще невелик, и из-за высокой стоимости сырья область его применения в основном ограничивается морской промышленностью, химической промышленностью, аэрокосмической промышленностью, медицинскими приборами, имплантатами, предметами роскоши и другими отраслями. с высокими требованиями к характеристикам материала.

В настоящее время, помимо высокой стоимости сырья, сложность обработки и формовки титана и титановых сплавов также сильно ограничивает область их применения.

Обрабатываемость титана и титановых сплавов плохая. Традиционный метод обработки дорог для технологического оборудования и имеет низкую эффективность обработки, что значительно увеличивает стоимость обработки; Конструкции деталей из титана, которые можно подвергать механической обработке, очень просты, и в большинстве из них невозможно достичь конструктивной схемы, обеспечивающей оптимальные характеристики материалов, из-за ограничений методов обработки.

В этом контексте литье металлов под давлением (MIM), которое имеет преимущества высокой степени использования сырья и низкой стоимости серийного производства, стало идеальным процессом обработки титана и титановых сплавов [1-4].

Процесс литья под давлением металлического порошка обычно включает в себя несколько основных процессов, таких как подготовка материала для литья под давлением, литье под давлением, разъединение, спекание и необходимая последующая обработка.

Как показано на рисунке 1, металлический порошок и компоненты органического связующего смешивают, смешивают и гранулируют для приготовления литьевого материала, а затем литьевой материал впрыскивают в форму при определенной температуре и давлении. После охлаждения сырой продукт определенной формы получают путем извлечения из формы, а затем все органические компоненты, кроме металлического порошка в сырце, удаляют в процессе разъединения, превращая в сырец для разъединения, и, наконец, получают продукт с требуемыми характеристиками путем спекание.

Технология литья под давлением металлического порошка реализует органическое сочетание литья под давлением и традиционной технологии порошковой металлургии, устраняет недостатки высокой стоимости процесса механической обработки, простой формы традиционного процесса литья, низкой производственной эффективности процесса изостатического прессования и литья под давлением, многих дефектов традиционного литья. процесс, низкая точность допуска и значительно способствует производству и применению изделий из титана и титановых сплавов (как показано на рисунке 2).

Рис. 1. Технологическая схема литья под давлением порошка титана и титанового сплава.

Рис.1 Технологическая схема производства титана и титановых сплавов производства МИМ

Рис. 2 Примеры применения литья под давлением металлического порошка из титана и титанового сплава, совместно разработанного Zhongwei Precision и Beijing в 2002 г., а серийное производство было начато в 2004 г.

Рис. 2 Применение титана и титанового сплава производства МИМ

В этом документе представлены характеристики и преимущества литья под давлением металлического порошка из титана и титанового сплава, обобщается прогресс в исследованиях технологии литья под давлением металлического порошка из титана и титанового сплава из порошкового сырья, широко используемые связующие системы, литье под давлением, разъединение и спекание, а также анализы. направление исследований литья под давлением металлического порошка из титана и титанового сплава с учетом текущих основных проблем.

Статус исследований литья под давлением металлического порошка из титана и титанового сплава

Исследования показывают, что на механические свойства, коррозионную стойкость и биомедицинские свойства изделий из титана и титановых сплавов, полученных литьем под давлением, большое влияние оказывают относительная плотность, содержание примесей, элементы сплава и микроструктура.

После спекания относительная плотность изделий, полученных литьем под давлением, составляет около 95 процентов, и будет определенная доля остаточных пор.

Эти остаточные поры становятся источником трещин при разрушении образца и оказывают большое влияние на прочность на растяжение, пластичность, вязкость разрушения, усталостную прочность и другие механические свойства материала. Следовательно, чем выше относительная плотность изделий из титана и титановых сплавов, полученных литьем под давлением, тем лучше их механические свойства.

Примеси, такие как кислород, углерод, азот, водород и т. д., особенно кислород, улучшают предел текучести, предел прочности и твердость материалов и снижают пластичность. Примеси растворяются в матрице титана при температуре спекания. Из-за отсутствия эффективного восстановителя трудно контролировать примеси титана и титановых сплавов в процессе спекания, поэтому необходимо максимально уменьшить количество добавляемого кислорода в сырье и каждый последующий процесс.

Микроструктура титана и титановых сплавов, включая размер зерна и фазовый состав после спекания, будет влиять на механические свойства материалов. Одним словом, материалы из титана и титановых сплавов, полученные литьем под давлением, с отличными характеристиками имеют высокую плотность, низкое содержание примесей (обычно содержание кислорода), соответствующий состав сплава, мелкое зерно и небольшое количество дефектов при уплотнении [5].

1.1 Порошковое сырье

Выбор порошкового сырья является важным этапом в процессе литья титанового порошка под давлением. Распределение частиц по размерам и морфология порошка напрямую влияют на текучесть и формуемость материала для литья под давлением, сохранение формы сырца в процессе отклеивания и усадку в процессе спекания.

В настоящее время обычно используемые методы получения порошка титана и титанового сплава включают механический метод и метод распыления.

Форма порошка, полученного в результате механического измельчения (например, шарового помола, шарового помола с мешалкой, шарового помола с высокой энергией вибрации и воздушного помола), обычно неправильная или угловатая.

Процесс гидрирования-дегидрирования (ГДГ) заключается в том, чтобы воспользоваться очевидной хрупкостью титана после поглощения водорода, измельчить его механическим измельчением или дроблением потоком воздуха, а затем дегидрировать для получения порошка титана неправильной формы, как показано на рисунке 3 (а). . Метод распыления (такой как распыление инертным газом, распыление вращающимся электродом плазменного луча и распыление плавящимся газом с индукционным электродом) можно проводить в полностью инертной атмосфере, чтобы поддерживать высокую чистоту исходного порошка. Порошок имеет сферическую форму с довольно широким распределением частиц по размерам и хорошими характеристиками укладки, как показано на рисунке 3 (b).

Кроме того, в отличие от технологии производства стального порошка, трудно получить порошок титана с более мелким размером частиц. С уменьшением размера частиц увеличивается удельная поверхность, а также увеличивается содержание примесей.

Как правило, размер частиц порошка титана, используемого в МИМ, составляет менее 45 мкм. Когда частицы порошка слишком велики, процесс впрыска может привести к расслоению связующего порошка с образованием дефектов, которые необходимо полностью учитывать при разработке состава материалов для впрыска и конструкции пресс-формы [5].

Рис. 3 Гидродегидрированный титановый порошок (а) и аэрозольный титановый порошок (б) для литья под давлением

Рис.3 ГДГ (а) и газораспыленный (б) титановый порошок, используемый в МИМ

1.2 Связующее

Связующее представляет собой носитель, который существует поэтапно на протяжении всего процесса литья под давлением. Его основная роль заключается в том, чтобы порошок равномерно заполнил форму в жидком состоянии, придал ей необходимую форму и сохранил ее до стадии предварительного спекания.

В процессе литья под давлением связующее должно обладать следующими характеристиками: низкая температура плавления, хорошая смачиваемость частицами порошка и быстрое отверждение, что удобно для приготовления литьевых материалов; Обладает хорошей текучестью при температуре впрыска; После формирования его можно легко удалить из зеленого тела, и остается меньше остатков. Продукты разложения нетоксичны и не вызывают коррозии.

Вообще говоря, связующий компонент должен включать как минимум основной компонент и вторичный компонент:

Основной компонент используется для смачивания частиц металлического порошка и обеспечения необходимой текучести, в то время как вторичный компонент обеспечивает достаточную прочность инъекционного сырца в процессе впрыска и после удаления основного компонента связующего.

В большинстве случаев связующая система имеет третий компонент, такой как поверхностно-активное вещество, для улучшения совместимости металлических порошков и полимеров.

В соответствии с различными основными компонентами в связующих компонентах обычно используемые связующие системы можно разделить на системы на основе воска, системы на основе ароматических соединений, системы на основе параформальдегида и системы на основе воды.

1.2.1 Связующее на восковой основе

Обычно используемые восковые системные клеи на основе воска представляют собой парафиновый воск, пчелиный воск, пальмовый воск и другие полимеры с короткой цепью. Они имеют низкую температуру плавления, хорошую смачиваемость, короткую молекулярную цепь, низкую вязкость и меньшее изменение объема, чем другие полимеры, при разложении, что способствует обеспечению точности размеров продуктов.

Вторичные компоненты, обычно используемые в системах на основе воска, включают полипропилен, полиэтилен, сополимер этилена и винилацетата и высокомолекулярный полиметилметакрилат. В дополнение к воску и каркасному связующему обычно добавляют поверхностно-активное вещество, такое как стеариновая кислота, для улучшения совместимости между порошком и полимером.

Связующая система на основе воска, впервые описанная в литературе, была разработана Канеко и соавт.

Като и др. [7] изучали двухэтапный процесс разъединения, сочетающий разъединение в вакууме и разъединение в атмосфере аргона, что значительно снизило содержание углерода и кислорода в спеченных изделиях.

Гуо и др. [8 – 9] разработали связующую систему парафин – полиэтиленгликоль – полиэтилен – полипропилен – стеариновая кислота, заменив часть парафина полиэтиленгликолем с лучшей смачиваемостью, и применили его при литье под давлением чистого титана и сплава титана и алюминия с ванадием. Спеченные детали хорошо сохраняют форму и мало двигаются. Из-за снижения содержания кислорода и углерода производительность также значительно улучшилась, что привело к повышению производительности.

Кроме того, некоторые исследователи использовали пальмовый воск для частичной замены парафинового воска [10-13] и пальмовое масло для полной замены парафинового воска [14] в связующей системе на основе воска с хорошим формообразующим эффектом. Однако, поскольку элемент кислорода, содержащийся в самом пальмовом воске, также является источником увеличения кислорода, содержание углерода и кислорода в конечном продукте несколько выше, а его механические свойства не так хороши, как у парафиновой системы.

Наилучшая связующая система на основе воска, описанная в литературе, была предложена Friederici et al. [15]. В ходе эксперимента были сформированы четыре вида пропорций связующего путем регулирования соотношения парафина, полиэтилена низкой плотности и стеариновой кислоты, а затем были проведены процессы формования, отклеивания и спекания различных материалов для литья под давлением. Были получены образцы с относительной плотностью 98,1% и химическим составом, отвечающим требованиям вторичного чистого титана.

Связующая система на основе воска играет важную роль в литье под давлением. Тем не менее, из-за низкой эффективности обезжиривания органического растворителя, используемого для растворительного удаления связующей системы на основе воска, исследователи продолжают внедрять инновации на этой основе и разрабатывать новую связующую систему.

1.2.2 Связующее на основе ароматических соединений

Ароматические соединения (такие как нафталин, антрацен и т. д.) могут растворяться при очень низкой температуре. В условиях низкого давления они могут быть непосредственно преобразованы из твердого состояния в газообразное путем сублимации при температуре ниже их точки плавления. Использование ароматических соединений в качестве компонентов связующего может значительно повысить эффективность процесса разъединения.

Вейл и др. [16 – 18] использовали ароматические соединения при литье порошка металлического титана под давлением. В исследовании нафталин, 1-процентная стеариновая кислота и 3-12-процентный сополимер винилацетата использовались в качестве связующих для получения плотных и пористых сплавов титана, алюминия и ванадия.

Во время эксперимента, из-за прямой сублимации нафталина в газ, в процессе разъединения не было жидкой фазы, объем образца не изменился, и, в отличие от обезжиривания растворителем, поверхностная энергия, задействованная в методе сублимации, была низкой, что означало чтобы можно было избежать обычных дефектов обезжиривания, таких как деформация и растрескивание. Результаты показали, что относительная плотность спеченных образцов составила 96,6%, а содержание углерода не увеличилось.

Несмотря на то, что связующая система достигла отличных характеристик продукта, ароматические соединения в системе по-прежнему будут оказывать влияние на окружающую среду и здоровье, и впоследствии они не изучались и не применялись в больших масштабах.

1.2.3 Связующее на основе полиформальдегида

Впервые полиформальдегид был использован в связующей системе компанией Celanese Corp в 1984 г., а затем разработан компанией BASF, благодаря чему компоненты связующего не содержат воска и низкомолекулярных компонентов [19].

Полиформальдегид является основным компонентом связующей системы, а полиэтилен (ПЭ) постепенно добавляется в качестве каркасного связующего в более позднем процессе разработки.

В настоящее время BASF формирует материалы для литья под давлением, охватывающие низколегированную сталь, нержавеющую сталь, инструментальную сталь, титан, титановые сплавы и керамику на основе этой связующей системы.

Замечательной характеристикой POM является то, что он чувствителен к кислотным реагентам и легко разлагается кислотой. Следовательно, сырые заготовки можно обрабатывать в кислой атмосфере ниже температуры их размягчения. В этом процессе полиоксиметилен находится в твердом состоянии, что позволяет избежать таких дефектов, как трещины и расширение, вызванное кипением компонентов связующего. Кроме того, сырые заготовки имеют небольшую деформацию, хорошее сохранение формы и точный контроль размера.

Кроме того, из-за большой скорости диффузии, по сравнению с другими методами обезжиривания, скорость обезжиривания выше, что может достигать 10-кратной скорости традиционного удаления клея растворителем, при этом обеспечивая удаление большего размера [20].

Хотя связующая система на основе полиоксиметилена имеет много преимуществ, описанных выше, она также имеет много недостатков.

Пары азотной кислоты с высокой коррозионной активностью обычно используются в качестве катализатора в процессе каталитического разрыхления. С одной стороны, полиоксиметилен может разлагаться во время подготовки и литья под давлением материалов для литья под давлением на ранней стадии с образованием высокотоксичного формальдегида, и продукты разложения необходимо удалять путем двухступенчатого сжигания. С другой стороны, кислая среда, играющая каталитическую роль, вызывает сильную коррозию оборудования и требует дополнительных инвестиций.

1.2.4 Связующее на водной основе

Разрыхляющие растворители (такие как гептан и гексан) или продукты разложения компонентов связующего (мономера ароматического соединения и формальдегида), используемые в нескольких вышеупомянутых связующих системах, более или менее вредны для окружающей среды и операторов. Поэтому очень важно разработать и использовать связующую систему с экологически безопасными растворителями.

Существующие экологически безопасные связующие системы используют воду в качестве разрыхляющего растворителя.

В соответствии с различной ролью воды в приготовлении материалов для инъекций этот тип связующей системы можно разделить на гелевую и негелевую основу.

Обычным полимером, используемым в негелевых системах, является полиэтиленгликоль, который обладает хорошими характеристиками, дешев и легко доступен. Полиэтиленгликоль с низкой молекулярной массой можно быстро и полностью удалить при 60°C, а молекулярная масса обычно используемого полиэтиленгликоля составляет около 500~2000. Обычно используемым каркасным связующим является полиметилметакрилат с молекулярной массой 10000.

Сидамбе и др.

В ходе эксперимента полиэтиленгликоль полностью удалялся в воде с температурой 55°C через 5 часов, а полиметилметакрилат полностью удалялся в потоке горячего антипригарного аргона с температурой 440°C. Конечное содержание кислорода (массовая доля) в подготовленном образце составляет 0,2 процента, соответствующая прочность на растяжение составляет 850–880 МПа, а удлинение составляет 8,5–16 процентов, что соответствует стандарту ASTM класса 5 Ti.

Большинство связующих на основе геля представляют собой натуральные вещества, такие как целлюлоза, крахмальный агар и т. д.

Токура [22] и соавт. использовали агар для замены полимерного связующего в литье под давлением титанового порошка и изучили термическую стабильность, растворимость и вязкость связующей системы.

В отчете Metal Powder Report (MPR) [23] сообщается об исследовании производства зубных имплантатов из титанового сплава с использованием связующего на основе агара, состоящего из агара, воды и гелевых армирующих материалов.

Судзуки [24] и соавт. приготовили 97,3-процентные образцы с относительной плотностью с использованием агарового (молекулярная масса 82 500) связующего, содержащего 4-процентную массовую долю. Массовые доли углерода и кислорода в образцах составляют 0,33% и 0,3% соответственно. Предел текучести составляет 539 МПа, относительное удлинение составляет около 10 процентов. Результаты экспериментов показывают, что при использовании агара с высокой молекулярной массой прочность геля увеличивается, но остаточное содержание углерода и кислорода высокое, что приводит к снижению плотности спекания, прочности на растяжение и удлинению спеченных кусков.

Связующее на водной основе без геля легко контролировать, оборудование для обезжиривания дешевле, чем другие методы обезжиривания, а связующее является биоразлагаемым и нетоксичным для микроорганизмов, но очистка сточных вод для обезжиривания требует дополнительных затрат.

Трудно контролировать размер конечных деталей, производимых компаундом для литья под давлением на основе гелевой связующей системы, а состав недостаточно стабилен, поэтому условия процесса и контроль качества затруднены, и все еще необходимы дальнейшие исследования и оптимизация.

1.3 Литье под давлением, разрыхление и спекание

Параметры процесса литья под давлением определяются свойствами литьевой массы и геометрией целевого изделия.

Как упоминалось выше, размер частиц титанового порошка обычно относительно крупный, что легко вызывает расслоение связующего порошка по сравнению с литьем под давлением материалов из нержавеющей стали. Перед литьем под давлением следует сформулировать соответствующие параметры процесса литья в соответствии с реологическими свойствами материалов для литья под давлением, чтобы уменьшить количество дефектов в формованных неспеченных телах.

Ван и др.

Парк [26] и др. подготовили материалы для инъекций с аэрозольным порошком титана, порошком титана HDH и сфероидизированным порошком титана HDH, измерили их реологические свойства и поведение при отслаивании, предложили индекс формуемости материалов для инъекций и на их основе оценили свойства материалов для инъекций. Результаты анализа послужили теоретической основой для одновременного использования порошка ГДГ и аэрозольного порошка в системе инъекционных материалов.

Barriere [27] и другие обсудили оптимальные параметры процесса для производства металлических литьевых деталей без дефектов и с требуемыми механическими свойствами на основе экспериментального процесса и численного моделирования. На основе технологии моделирования они использовали уравнения двухфазного потока и недавно разработанный явный алгоритм для прогнозирования явления разделения материала в процессе впрыска с помощью численного моделирования.

Чен [28] и соавт. использовали гидрированный дегидрированный порошок предварительного сплава Ti – 6Al – 4V и водорастворимую связующую систему для приготовления комментария, затем измерили скорость удаления водорастворимого связующего компонента полиэтиленгликоля в образцах разной толщины при разных температурах, установили диффузионно-управляемую математическую модель разрыхления , и определили механизм разрыхления связующей системы.

Сидамбе [29] и соавт. использовали метод Тагучи для определения наилучшего сочетания температуры спекания, времени, скорости нагрева, атмосферы и других параметров.

Нор и др. [30] подготовили инъекционный материал Ti-6Al-4V с использованием жесткого пальмового эфира и полиэтиленовой связующей системы и сформулировали оптимальный производственный процесс с использованием метода Тагучи. Наконец, был получен образец с пределом текучести 934,4 МПа и относительным удлинением 10 процентов, и его общие характеристики соответствовали требованиям медицинского титанового сплава ASTM B348-02.

Обаси и др. В работе [31] приготовлены образцы Ti – 6Al – 4V со свойствами, соответствующими требованиям ASTM B348 – 02 титанового сплава марки 23, и изучено влияние изменения системы основных технологических параметров на процесс термического обезжиривания и спекания Ti – 6Al – 4V. порошковые компоненты МИМ.

Лимберг и др. [32] получили Ti – 45Al – 5Nb – 0.2B – 0.2C путем смешивания простых порошков в процессе литья под давлением, исследовали влияние времени спекания и атмосферы спекания на свойства при растяжении и микроструктуру, и получили образцы с пределом прочности около 630 МПа.

Гуо и др. [8 – 9] получены чистые материалы титана и Ti – 6Al – 4V по технологии литья под давлением, изучено влияние процессов термической обработки, таких как горячее изостатическое прессование и отжиг, на свойства материалов сплава, качественно и количественно охарактеризован эффект термической обработки. с помощью испытаний механических свойств микроструктуры. Его микроструктура показана на рисунке 4.

Исходное сырье готовят путем смешивания распыленного титанового порошка, гидрогенизированного дегидрированного порошка титана и связующей системы на основе парафина. После литья под давлением разрыхляют в растворителе в смеси гептана и этанола. После нагревания до 350, 420 и 600°С при определенной скорости нагрева вяжущее полностью удаляется путем сохранения тепла. Температура спекания 1230°С, время сохранения тепла 3 часа. Наконец, предел прочности при растяжении спеченных образцов составляет 389–419 МПа, а удлинение составляет 2–4 процента.

Члены исследовательской группы [33] готовили образцы чистого титана с использованием аэрозольного порошка титана и системы водорастворимых связующих, изучали влияние температуры спекания и времени выдержки на свойства образцов чистого титана. Процесс спекания проводился в вакууме 10-4~10-3 Па, температура спекания составляла 1350°С, удлинение после выдержки в течение 3 часов составляло 20,3%, что полностью соответствует ASTM F{{8 }}, образец с лучшими характеристиками порошковой металлургии, относительная плотность составляла 96,9 процента, а предел прочности на растяжение составлял 443 МПа, биомедицинский стандарт чистого титана класса II.

Рис. 4. Микроструктура образцов чистого титана (а) и сплава титана с алюминием и ванадием (б), приготовленных с впрыском связующего на восковой основе

Рис.4 Микроструктуры образцов Ti (а) и Ti-6Al-4V (б), приготовленных из сырья на основе воска

2 Новые материалы для литья под давлением из титана и титановых сплавов

В настоящее время титан и титановые сплавы широко используются в ортопедической хирургии, стоматологических инструментах и ​​медицинских имплантатах. Однако из-за различий между их механическими свойствами и механическими свойствами человеческой кости (модуль упругости около 20 ГПа) на поверхности раздела кость/имплантат возникают экранирующие эффекты, что может привести к значительному снижению долгосрочных клинических эффектов, т.к. показано на рисунке 5.

Поэтому исследователи скорректировали механические свойства титановых материалов, изменив структуру и состав сплава титановых материалов, чтобы сделать их ближе к структуре и характеристикам натуральных костей человека.

Рис. 5. Сравнение модулей упругости распространенных медицинских материалов из титановых сплавов.

Рис.5 Сравнение модуля упругости биомедицинских титановых сплавов

2.1 Пористые титановые материалы и титано-керамические композиты

Пористые титановые материалы и новые системные материалы из титановых сплавов имеют соответствующую структуру пор и механические свойства и являются идеальными материалами для ортопедических имплантатов.

С одной стороны, он может эффективно уменьшить несоответствие напряжения между имплантатом и костной тканью, тем самым уменьшая эффект экранирования напряжения и реализуя постоянную и эффективную функцию имплантата; С другой стороны, пористая структура является необходимым условием для прирастания костных клеток к телу имплантата. Взаимосвязанная пористая структура может пропускать большое количество жидкости организма, что может дополнительно способствовать росту костных клеток.

Гу [34] и соавт. сформировали новый сплав TC4 с открытой структурой пор путем добавления TiH2 в качестве пенообразователя и активатора к элементарному порошку титана, алюминия и ванадия с равномерным распределением пор по размерам 90 ~ 190 мкм. Пористость составляет около 43 ~ 59%, а модуль упругости составляет 5,8 ~ 9,5 ГПа. Двигатель и др. [35] приготовили микропористый титановый сплав методом порошкового литья под давлением (PIM) в сочетании с технологией порообразователя и изучили влияние количества порообразователя полиметилметакрилата на плотность, сопротивление сжатию и модуль упругости сплава.

Тюнер и др.

Чен [37] и соавт. использовали NaCl в качестве порообразователя и материал для литья под давлением на основе гидрированного дегидрированного порошка титана и воска для приготовления образцов, полученных литьем под давлением. Пористость полученных образцов составляла 42,4-71,6%, диаметр пор достигал 300 мкм. Как показано на рисунке 6. Регулируя количество NaCl, в инъекционной части можно сформировать соединительное отверстие, а его механические свойства аналогичны свойствам губчатой ​​кости.

Барбоза и др.

Рис. 6 Пористый титановый компонент для литья под давлением, приготовленный с использованием NaCl в качестве порообразователя

Рис.6 Компонент для литья под давлением из пористого титана с использованием NaCl в качестве держателя

Гидроксиапатит (ГА) с таким же химическим составом и кристаллической структурой, что и естественная костная ткань человека, обладает уникальными преимуществами при замещении и реконструкции кости и начинает играть все более важную роль в биомедицинских устройствах.

Однако ГА является хрупким и имеет плохие механические свойства, поэтому его нельзя использовать в качестве несущего компонента в одиночку. Таким образом, появился новый биомедицинский материал, состоящий из материалов ГА и титана.

Тиан и др. [39  42] изучали получение композитов Ti6Al4V/HA методом литья под давлением. Сначала композитный порошок Ti6Al4V/HA был приготовлен методом керамической суспензии, а затем приготовленный порошок был смешан с коммерческим связующим PAN-250S для подготовки примечаний. Были испытаны реологические свойства инъекционной смеси, а также изучено влияние скорости нагрева и расхода газов атмосферы разрыхления на дефекты разрыхляемой детали, количество удаляемого связующего и остаточное содержание углерода в процессе разрыхления. ; Влияние параметров процесса спекания (скорость нагрева, температура спекания, время выдержки, скорость охлаждения и др.) на свойства конечного образца, пористость приготовленного образца составляет около 50 процентов; Кроме того, был проанализирован процесс биологической деградации приготовленного материала Ti6Al4V/HA в среде жидкости организма и охарактеризованы результаты испытаний механических свойств.

2.2 Новые материалы из титанового сплава

Биомедицинская область является важной отраслью применения титановых материалов, и направление спроса на ее применение напрямую влияет на тенденцию развития титановых материалов.

Ранние титановые материалы были чистым титаном (фаза), но прочность материалов из чистого титана низкая, а износостойкость низкая, что обеспечивает высокую прочность и ударную вязкость, представленную сплавами Ti6Al4V, Ti6Al7Nb и Ti5Al2.5Fe plus Type.

Ост и др. [43] успешно изготовили материалы для костных винтов с превосходными характеристиками с использованием порошка Ti6Al7Nb и связующей системы на основе воска (парафин плюс полиэтилен плюс стеариновая кислота), как показано на рисунке 7. Его относительная плотность составляет 97,6 процента, предел прочности при растяжении составляет 815 МПа, предел текучести составляет 714 МПа, удлинение 8,7%.

Результаты исследований показывают, что алюминий, ванадий и другие элементы из сплава титана, алюминия, ванадия и титана, алюминия, ниобия, которые широко используются в настоящее время, будут выделять цитотоксические ионы алюминия, ванадия после того, как имплантат попадет в организм человека, нанося вред человеческому организму. .

В результате исследователи провели серию испытаний биобезопасности нового поколения, которые содержат Nb, Ta, Zr, Mo, Sn и другие элементы биобезопасности, но не элементы Al, V. Разработка системы титанового сплава.

В настоящее время разрабатываемые и исследуемые биологические титановые сплавы в основном включают Ti-15Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-35Nb-7Zr-5Ta , Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr и Ti-29 Nb-13Ta-4.6Zr [44]. Из-за ограничений технологии изготовления порошков и других аспектов эти системы сплавов редко используются при литье порошков под давлением.

Чжао и др.

Арокиасами и др. [46] приготовили сплав Ti  5Fe  5Zr путем добавления элементов Fe и Zr в порошок чистого титана HDH и измерили механические свойства сплава. По результатам испытаний получен механизм влияния остаточной пористости и TiC на свойства сплавных материалов.

Рис. 7 Литье металлического порошка под давлением

Рис. 7 Винт для кости Ti6Al7Nb, изготовленный методом литья под давлением металла Винт для кости Ti6Al7Nb MIM производства Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd.

3 Внешний вид

Титан и титановые сплавы имеют большой потенциал для развития в аэрокосмической, медицинской, химической, автомобильной и потребительской промышленности благодаря их низкому удельному весу, высокой удельной прочности, отличной биосовместимости и стойкости к окислению, а также хорошей коррозионной стойкости.

По сравнению с традиционными технологиями обработки, такими как ковка, литье и механическая обработка, технология порошкового литья под давлением имеет очевидные преимущества, однородный состав сплава, высокий коэффициент использования сырья и большие производственные мощности для большого количества деталей сложной формы, что может значительно способствовать производство и применение изделий из титана и титановых сплавов.

Хотя в исследованиях литья под давлением титана и титановых сплавов был достигнут некоторый прогресс, ряд проблем, требующих решения в процессе реального промышленного производства, таких как высокая цена высококачественного порошкового сырья, недостаточное применение новых система высококачественного титанового сплава для литья под давлением и сложность контроля химического состава продуктов.

Кроме того, с быстрым развитием технологии микросистем в последние годы растет спрос на микрокомплексные компоненты, используемые в микросистемах, и необходимо перенести порошковое литье под давлением с традиционных типов продуктов на микропродукты и превратить их в порошковое микролитье под давлением. технологии.

В настоящее время технология микролитья под давлением в основном ориентирована на системы из полимеров, нержавеющей стали и других материалов. В микролитьевом формовании титана и титановых сплавов еще предстоит изучить много проблем.

Таким образом, развитие исследований в области литья под давлением из титана и титановых сплавов должно быть сосредоточено на исследованиях и разработках новых систем из титановых сплавов, разработке недорогих высококачественных технологий приготовления порошков из титановых сплавов и исследованиях микролитья титановых материалов для литья под давлением. микросложные устройства.

Благодаря углубленным исследованиям технологии литья под давлением титана и титановых сплавов считается, что технология литья под давлением титана и титановых сплавов добьется большого прогресса, а затем будет способствовать быстрому развитию титановой промышленности.