Технология литья под давлением металлического порошка из титана и титанового сплава

Технология литья под давлением металлического порошка из титана и титанового сплава

 

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. добилась массового производства благодаря непрерывным исследованиям и разработкам, инновациям, испытаниям, процессам литья под давлением из титанового металла и титанового сплава в 2008 году. Если есть нуждающиеся клиенты, отправьте электронное письмо: бизнес- mall@zw-jm.com Передайте его нашей компании, и профессиональные инженеры ответят вам своевременно в течение кратчайшего рабочего дня,

Краткое содержание

Титан и титановые сплавы обладают низким удельным весом, высокой удельной прочностью, отличной биосовместимостью и хорошей коррозионной стойкостью, а также имеют большой потенциал применения в таких областях, как аэрокосмическая, биомедицинская, химическая и автомобильная.

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

В этой статье представлены характеристики и преимущества литья под давлением металлического порошка из титана и титановых сплавов. В нем обобщается прогресс исследований технологии литья под давлением металлического порошка из титана и титанового сплава с точки зрения порошкового сырья, связующих систем, литья порошков под давлением, разрыхления и спекания. В ответ на основные проблемы, существующие в настоящее время, анализируются направления исследований и перспективы развития литья металлических порошков под давлением из титана и титановых сплавов.

Ключевые слова титан; Титановый сплав; Литье под давлением; Классификационный номер прогресса исследований TF125.2; TF125.2 плюс 2

(Примечание редактора: английское введение опущено...)

С тех пор как в 1840-х годах был освоен промышленный производственный способ получения металлического титана из руды, титан и титановые сплавы получили широкое применение в промышленных и коммерческих объектах. Однако по сравнению со сталью ее годовой объем производства все еще невелик, и из-за высокой стоимости сырья область ее 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, кроме дороговизны сырья, сложность обработки и формовки титана и титановых сплавов сильно ограничивает область их применения.

Обрабатываемость титана и титановых сплавов плохая, а традиционные методы обработки требуют дорогого оборудования и низкой эффективности обработки, что значительно увеличивает затраты на их обработку; Структура титановых деталей, которые можно подвергать механической обработке, очень проста, и из-за ограничений методов обработки большинство из них не могут обеспечить конструктивные решения, которые могут максимизировать характеристики материала.

В этом контексте литье металлов под давлением (MIM), которое имеет преимущества высокого 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, отклеивание, спекание и необходимая постобработка.

Как показано на рисунке 1, металлический порошок и компоненты органического связующего сначала смешивают, смешивают и гранулируют для приготовления инъекционного материала. Затем литьевой материал впрыскивается в форму при определенной температуре и давлении, охлаждается и извлекается из формы для получения сырого продукта определенной формы. Затем в процессе разрыхления все органические компоненты, за исключением металлического порошка, удаляются из сырого продукта, образуя несвязанный сырой продукт. Наконец, проводят спекание для получения желаемых характеристик продукта.

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

1 Технологическая схема производства титана и титановых сплавов производства МИМ

 

2 Применение титана и титановых сплавов производства МИМ

 

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

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

После спекания продукта для литья под давлением его относительная плотность составляет около 95 процентов, и будет определенная доля остаточных пор.

Эти остаточные поры станут источником трещин при разрушении образца и окажут большее 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.

Элементы-примеси, такие как кислород, углерод, азот, водород и т. д., особенно кислород, могут повышать предел текучести, предел прочности и твердость материалов, снижая пластичность. При температуре спекания примесные элементы растворяются в матрице титана. Из-за отсутствия эффективных восстановителей трудно контролировать примесные элементы в титане и титановых сплавах в процессе спекания. Это требует минимизации количества кислорода, добавляемого к сырью и каждому последующему этапу процесса.

Микроструктура титана и титановых сплавов, в том числе размер зерна и фазовый состав после спекания, могут влиять на механические свойства материала. В целом, литьевые материалы из титана и титановых сплавов с превосходными характеристиками имеют высокую плотность, низкое содержание примесей (обычно содержание кислорода), соответствующий состав сплава, мелкий размер зерна при уплотнении и меньшее количество дефектов [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 непосредственно влияют на текучесть и формуемость компаунда для литья под давлением, сохранение формы сырца в процессе отклеивания и скорость усадки в процессе спекания.

Обычно используемые методы получения порошков титана и титановых сплавов включают механический метод и метод распыления.

Форма порошка, полученного механическими способами, такими как шаровая мельница, шаровая мельница с перемешиванием, шаровая мельница с высокой энергией вибрации и измельчение воздушным потоком, обычно неправильная или угловатая.

В процессе гидрирования-дегидрирования (ГДГ) используются очевидные характеристики охрупчивания титана после поглощения водорода. Его измельчают с помощью механического измельчения или дробления потоком воздуха, а затем подвергают дегидрированию с получением титанового порошка неправильной формы, как показано на рисунке 3 (а). Метод распыления (например, 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. Приготовленный порошок имеет сферическую форму и довольно широкое распределение частиц по размерам с хорошими характеристиками укладки, как показано на рисунке 3 (b).

Кроме того, в отличие от технологии производства стального порошка, производство более тонкого титанового порошка более сложное. С уменьшением размера частиц увеличивается удельная поверхность, а также увеличивается содержание примесных элементов.

Обычно в МИМ используется порошок титана с размером частиц менее 45 мкм. Когда частицы порошка слишком велики, процесс впрыска склонен к расслоению связующего порошка и образованию дефектов. Необходимо полностью учитывать конструкцию состава литьевого материала и конструкцию пресс-формы [5].

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

1.2 Клей

Связующее является носителем, который существует поэтапно на протяжении всего процесса литья под давлением, и его основная функция заключается в равномерном заполнении формы порошком в текучем состоянии, формировании заданной формы и сохранении ее до стадии предварительного спекания.

В процессе литья под давлением связующее должно иметь следующие характеристики: низкая температура плавления, хорошая смачиваемость частицами порошка и быстрое затвердевание, что удобно для приготовления литьевых материалов; Обладает хорошей текучестью при температуре впрыска; После формования его можно легко удалить из заготовки с меньшим количеством остаточного материала и нетоксичными и неагрессивными продуктами разложения.

Вообще говоря, связующие компоненты включают, по крайней мере, основной компонент и второстепенные компоненты:

Основной компонент используется для смачивания частиц металлического порошка и обеспечения необходимой сыпучести, а вторичный компонент обеспечивает достаточную прочность инъекционной неспеченной массы в процессе впрыска и после удаления основного компонента связующего.

В большинстве случаев связующая система имеет третий компонент, такой как поверхностно-активные вещества, 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 полиоксиметилена и системы на водной основе.

1.2.1 Связующее на восковой основе

Обычно используемые воски для связующих систем на основе воска включают несколько короткоцепочечных полимеров, таких как парафин, пчелиный воск, пальмовый воск и т. д. Они имеют низкую температуру плавления, хорошую смачиваемость, короткие молекулярные цепи, низкую вязкость и меньшие изменения объема при разложении по сравнению с другими полимеры, что способствует обеспечению точности размеров продукта.

Обычно используемые вторичные компоненты систем на основе воска включают полипропилен, полиэтилен, сополимер этилена и винилацетата и высокомолекулярный полиметилметакрилат. В дополнение к воску и каркасным связующим обычно добавляют поверхностно-активное вещество, такое как стеариновая кислота, для улучшения совместимости между порошком и полимером.

Самая ранняя система связующего вещества на основе воска, о которой сообщалось в литературе, была Kaneko et al. [6], которые использовали сополимер полибутилметакрилата парафина и этиленвинилацетата дибутилфталат в качестве связующего и порошок титана для приготовления инъекционного материала. Нагрузка порошка составляла 56 процентов, и после расслоения он был спечен при 1300°С и 1,3 Па. Полученный спеченный образец имел относительную плотность 94 процента и прочность на сжатие 1000 МПа, но из-за высокого содержания примесей он почти не имел пластичности.

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 деталях.

Гуо и др. [8-9] использовали полиэтиленгликоль с лучшей смачиваемостью для замены некоторого количества парафина и разработали связующую систему парафин-полиэтилен-полипропилен-стеариновая кислота, которая использовалась при литье под давлением сплавов чистого титана и титана-алюминия-ванадия. Спеченные детали имели хорошее сохранение формы и небольшое волнообразное движение. Из-за снижения содержания кислорода и углерода производительность была значительно улучшена, что привело к хорошей производительности.

Кроме того, исследователи использовали пальмовый воск в качестве частичной замены парафинового воска [10-13] и пальмовое масло в качестве полной замены парафинового воска [14] в связующей системе на основе воска, обладающей хорошим эффектом формования. Однако из-за элемента кислорода, содержащегося в самом пальмовом воске, он также является источником повышения содержания кислорода.

В настоящее время оптимальная связующая система на основе воска, описанная в литературе, была предложена Friederici et al. [15]. В ходе экспериментального процесса были сформированы четыре соотношения связующего путем регулирования пропорций парафина, полиэтилена низкой плотности и стеариновой кислоты, и на основе этих соотношений были сформированы, отсоединены и спечены различные материалы для литья под давлением. Получен образец с относительной плотностью 98,1 процента и химическим составом, отвечающим требованиям вторичного чистого титана.

Связующие системы на основе воска играют важную роль в литье под давлением, но из-за низкой эффективности растворяющего разрыхления с использованием органических растворителей исследователи постоянно вводят новшества и разрабатывают новые связующие системы.

1.2.2 Связующие на основе ароматических соединений

Ароматические соединения (такие как нафталин, антрацен и т. д.) могут растворяться при очень низких температурах, а в условиях низкого давления они могут непосредственно превращаться из твердого состояния в газообразное посредством сублимации при температурах ниже их точки плавления. Использование ароматических соединений в качестве компонентов связующего может значительно повысить эффективность процесса разрыхления.

Вейл и др. [16-18] использовали ароматические соединения при литье под давлением порошка металлического титана. В своих исследованиях плотные сплавы титана алюминия и ванадия и пористые сплавы титана алюминия и ванадия были приготовлены с использованием нафталина, 1-процентной массовой доли стеариновой кислоты и от 3 до 12 процентов массовой доли сополимера этилена и ацетата этилена в качестве связующих.

В ходе эксперимента за счет прямой возгонки нафталина в газ в процессе разрыхления не появлялась жидкая фаза, и объем образца не менялся. В отличие от обезжиривания растворителем, поверхностная энергия, используемая в методе сублимации, относительно низка, что означает, что можно избежать обычных дефектов обезжиривания, таких как деформация и растрескивание. В итоге относительная плотность спеченного образца составила 96,6%, а содержание углерода не увеличилось.

Несмотря на то, что адгезивная система достигла отличных характеристик продукта, ароматические соединения в системе по-прежнему оказывают влияние на окружающую среду и физическое здоровье и не изучались и не применялись в больших масштабах.

1.2.3 Связующее на основе полиоксиметилена

Полиформальдегид был впервые использован в связующей системе компанией Celanese Corp в 1984 году, а затем разработан BASF, что позволило компонентам связующего не содержать воска или низкомолекулярных компонентов [19].

Полиформальдегид является основным компонентом этой связующей системы, а полиэтилен (ПЭ) постепенно добавляется в качестве каркасного связующего в ходе более позднего процесса разработки.

В настоящее время BASF разработала материалы для литья под давлением на основе этой связующей системы, охватывающей многие материалы, такие как низколегированная сталь, нержавеющая сталь, инструментальная сталь, титан и титановые сплавы, а также керамика.

Важной характеристикой полиформальдегида является его чувствительность к кислым реагентам и склонность к кислотному разложению. Следовательно, зеленое тело можно обрабатывать в кислой атмосфере ниже температуры его размягчения. Процесс полиоксиметилена находится в твердом состоянии, что позволяет избежать таких дефектов, как трещины и расширение, вызванное кипением компонентов связующего. Кроме того, деформация небольшая, сохранение формы хорошее, а контроль размера точный.

Кроме того, из-за высокой скорости диффузии, по сравнению с другими методами обезжиривания, скорость обезжиривания выше, достигая 10-кратной скорости традиционного удаления клея с помощью растворителя, при этом обеспечивая удаление большего размера [20].

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

В процессе каталитического отслаивания в качестве катализатора часто используются высококоррозионные пары азотной кислоты. С одной стороны, полиформальдегид может разлагаться во время подготовки материалов для литья под давлением и на этапах литья под давлением с образованием высокотоксичного формальдегида. Кроме того, продукты разложения необходимо удалять путем двухступенчатого сжигания. С другой стороны, кислая среда, играющая каталитическую роль, оказывает большее коррозионное воздействие на оборудование, что требует больших инвестиций.

1.2.4 Связующее на водной основе

Разрыхляющие растворители (такие как гептан и гексан) или продукты разложения компонентов связующего вещества (мономеры ароматических соединений и формальдегид), используемые в нескольких вышеупомянутых системах связующего вещества, более или менее вредны для окружающей среды и операторов. Поэтому большое значение имеет разработка и использование экологически безопасных систем связующих на основе растворителей.

Существующая экологически чистая связующая система использует 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 может быть быстро и почти полностью удален при 60°C, при обычно используемом диапазоне молекулярной массы около 500-2000. Обычно используемым каркасным связующим является полиметилметакрилат с молекулярной массой 10000.

Сидамбе и др. [21] использовали водорастворимый связующий компонент полиэтиленгликоля полиметилметакрилата стеариновой кислоты для исследования при степени загрузки порошка 69 процентов.

В эксперименте полиэтиленгликоль полностью удалялся в воде при 55°С через 5 часов, а полиметилметакрилат полностью удалялся в потоке горячего разрыхляющего газа аргона при 440°С. Конечное содержание кислорода (массовая доля) подготовленного образца составляет 0,2 процента, с соответствующей прочностью на растяжение 850-880 МПа и удлинением 8,5 процента -16 процента, 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 и др. [22] использовали агар для замены полимерных связующих в литье под давлением титанового порошка и изучили термическую стабильность, растворимость и вязкость литьевого материала этой связующей системы.

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, изготовленных из смеси для литья под давлением на основе гелевой связующей системы, а состав недостаточно стабилен, поэтому условия процесса и контроль качества сложны, и все еще необходимы дальнейшие исследования и оптимизация.

1.3 Литье под давлением, разъединение и спекание

Параметры процесса литья под давлением определяются характеристиками литьевого материала и геометрической формой целевого изделия.

Как упоминалось ранее, размер частиц титанового порошка обычно грубый, что склонно к отделению связующего порошка по сравнению с литьем под давлением из нержавеющей стали. Перед литьем под давлением необходимо разработать соответствующие параметры процесса формования на основе реологических свойств материала для литья под давлением, чтобы уменьшить количество дефектов в формованной заготовке.

Ван и др. [25] приготовили материалы для литья под давлением с использованием сплава Ti-6Al-4V в сочетании со связующей системой на основе порошкового воска, а также протестировали и проанализировали реологические свойства материалов для литья под давлением при различных количествах загрузки порошка и температурах, обеспечение основы для разработки соответствующих параметров формования для процесса литья под давлением.

Парк и др. приготовили материалы для инъекций с использованием аэрозольного порошка титана, порошка титана HDH и порошка титана сфероидизированного HDH и измерили их реологические свойства и поведение при отслаивании. Они предложили индекс формуемости для инъекционного материала и на его основе оценили его эффективность. Результаты анализа послужили теоретической основой для одновременного использования порошка ГДГ и аэрозольного порошка в системе инъекционного материала.

Барьер и др. В работе [27] исследованы оптимальные технологические параметры для изготовления металлических литьевых деталей без дефектов и с требуемыми механическими свойствами на основе экспериментальных процессов и процессов численного моделирования. Основываясь на методах моделирования, уравнение двухфазного потока и недавно разработанный явный алгоритм были использованы для прогнозирования явления разделения материала в процессе нагнетания с помощью численного моделирования.

Чен и др. [28] использовали гидрированный дегидрированный порошок предварительного сплава Ti-6Al-4V и систему водорастворимого связующего для приготовления инъекционного материала, а затем измерили скорость удаления водорастворимого связующего компонента полиэтиленгликоля. в образцах разной толщины при разных температурах. Для определения механизма разрушения связующей системы была создана математическая модель контролируемого диффузией разрыхления.

Сидамбе [29] и другие использовали методы Тагучи для определения оптимального сочетания температуры спекания, времени, скорости нагрева, атмосферы и других параметров.

Нор и др. [30] подготовили инъекционный материал Ti-6Al-4V с использованием стеарата пальмового масла и полиэтиленовой связующей системы и сформулировали оптимальный производственный процесс с использованием методов 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] были приготовлены образцы Ti-6Al-4V со свойствами, соответствующими требованиям ASTM B348-02 титанового сплава марки 23, и изучено влияние изменений основных систем технологических параметров на термическую процессы обезжиривания и спекания компонентов МИМ из порошка Ti-6Al-4V.

Лимберг и др. [32] приготовили Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C, используя смесь элементарных порошков в процессе литья под давлением, и изучили влияние времени спекания. и атмосферы на свойства растяжения и микроструктуру. Был получен образец с пределом прочности около 630 МПа.

Гуо и др. [8-9] приготовили материалы из чистого титана и Ti-6Al-4V с использованием технологии литья под давлением и изучили влияние процессов термообработки, таких как горячее изостатическое прессование и отжиг, на свойства материал сплав. Эффект термической обработки был качественно и количественно охарактеризован посредством тестирования микроструктуры и механических свойств, и его микроструктура показана на рисунке 4.

Материал для инъекций примечания готовят путем смешивания распыленного титанового порошка, гидрогенизированного дегидрированного порошка титана и связующей системы на основе воска. После литья под давлением проводят развязку растворителем в смеси гептана и этанола. Связующее полностью удаляется после нагрева до 350, 420 и 600°С при определенной скорости нагрева, а температура спекания составляет 1230°С в течение 3 часов. Наконец, свойства при растяжении спеченного образца составили 389-419 МПа, а относительное удлинение - 2-4 процентов.

Члены нашей исследовательской группы [33] приготовили образцы из чистого титана, используя систему аэрозольного порошка титана и водорастворимого связующего, и изучили влияние температуры спекания и времени выдержки на свойства образцов из чистого титана. Процесс спекания проводили под вакуумом 10-4-10-3 Па, при температуре спекания 1350°С и относительном удлинении 20,3%, полученном после выдержки в течение 3 часов. Образцы полностью соответствуют лучшим характеристикам порошковой металлургии ASTM F2989-13, с относительной плотностью 96,9 процента и пределом прочности 443 МПа, биомедицинским стандартом чистого титана класса II.

4 Микроструктуры образцов Ti (а) и Ti-6Al-4V (б), приготовленных с использованием сырья на основе воска

2 новых материала для литья под давлением из титана и титановых сплавов

Титан и титановые сплавы в настоящее время широко используются в ортопедии, стоматологическом оборудовании и медицинских имплантатах. Однако из-за различий в механических свойствах титана и человеческой кости (с модулем упругости около 20 ГПа) на границе кость/имплантат возникают эффекты экранирования напряжения, что может значительно ухудшить долгосрочные клинические результаты, как показано на рис. Рисунок 5.

Поэтому исследователи скорректировали механические свойства титановых материалов, изменив их структуру и состав сплава, приблизив их к структуре и характеристикам естественных костей человеческого тела.

5 Сравнение модулей упругости биомедицинских титановых сплавов

2.1 Пористые титановые материалы и титанокерамические композиты

Пористые титановые материалы и новые системные материалы из титановых сплавов имеют соответствующую структуру пор и механические свойства, что делает их идеальными материалами для ортопедических замещающих имплантатов.

С одной стороны, он может эффективно уменьшить несоответствие напряжения между имплантатом и костной тканью, тем самым уменьшая эффект экранирования напряжения и обеспечивая длительную и эффективную функцию имплантата; С другой стороны, пористая структура является необходимым условием для врастания костных клеток в тело имплантата, а взаимосвязанная пористая структура может пропускать большое количество жидкости организма, что дополнительно способствует росту костных клеток.

Гу и др. сформировали новый тип сплава ТС4 с открытой структурой пор путем добавления TiH2 в качестве пенообразователя и активатора к порошку титана-алюминия-ванадиевого элемента с равномерным распределением пор по размерам и размером пор в диапазоне от 90 до 190 мкм. Пористость составляет около 43-59%, а модуль упругости колеблется от 5,8 до 9,5 ГПа. Двигатель и др. [35] приготовили мультимикропористые титановые сплавы с использованием технологии порошкового литья под давлением (PIM) в сочетании с технологией порообразователя и изучили влияние количества порообразователя полиметилметакрилата на плотность, прочность на сжатие и модуль упругости сплава.

Тансер и др. [36] использовали систему из распыленного сферического порошка, порошка титана HDH и связующего на основе парафина для изучения влияния исходного порошка на характеристики конечного пористого продукта из титана путем добавления определенного количества NaCl и KCl в качестве порообразователей. Кроме того, путем регулирования количества порообразователей был получен пористый титановый материал с требуемой пористостью и размером пор для медицинских имплантатов, а химический состав материала мог соответствовать стандарту чистого титана третьего сорта.

Чен и др. [37] использовали NaCl в качестве порообразователя и инъекционный материал на основе гидрогенизированного дегидрированного титанового порошка и воска для приготовления образцов, полученных литьем под давлением. Полученные образцы имели пористость 42,4-71,6% и размер пор 300 мкм. Как показано на рисунке 6. Регулируя количество используемого NaCl, внутри инъекционной части могут образовываться взаимосвязанные поры, а их механические свойства аналогичны свойствам губчатой ​​кости.

Барбоза и др. [38] впервые применили порошок Fe22Cr для проверки реологических свойств инъекционных материалов с различными связующими системами. На основании результатов эксплуатационных испытаний была выбрана подходящая связующая система на восковой основе. Затем порошок Ti и порообразователь NaCl объединяли для теплого прессования и многокомпонентного литья под давлением. После обезжиривания и спекания был изготовлен компонент имплантата позвоночника с плотным ядром и градиентом внешней пористости.

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 из-за высокой хрупкости и плохих механических свойств ГА не может использоваться в качестве несущего компонента в одиночку, что привело к появлению нового типа биомедицинского материала, состоящего из ГА и титановых материалов.

Тиан и др. [39-42] изучали получение композиционных материалов Ti6Al4V/HA методом литья под давлением. Во-первых, композитный порошок Ti6Al4V/HA был приготовлен методом керамической суспензии. Затем подготовленный порошок смешивали с коммерческим связующим ПАН-250С для приготовления инъекционного материала. Были протестированы реологические свойства инжектируемого материала, а также изучено влияние скорости нагрева и расхода газа в атмосфере разрыхления на дефекты разрыхления, количество удаленного связующего и остаточное содержание углерода в процессе разрыхления; Влияние параметров процесса спекания (скорость нагрева, температура спекания, время выдержки, скорость охлаждения и т. д.) на характеристики конечного образца, в результате чего пористость образца составляет около 50 процентов; Кроме того, был проанализирован и охарактеризован процесс биологического разложения приготовленного материала Ti6Al4V/HA в среде жидкости организма по результатам испытаний механических свойств.

2.2 Новые материалы из титанового сплава

Биомедицинская область, как важная отрасль применения титановых материалов, направление спроса на ее применение напрямую влияет на тенденцию развития титановых материалов.

В ранних титановых материалах использовался чистый титан (в основном состоящий из фаз, но материалы из чистого титана имеют более низкую прочность и низкую износостойкость, что привело к разработке высокопрочных и высокопрочных материалов, представленных Ti6Al4V, Ti6Al7Nb и Ti5Al2.5Fe плюс сплав типа A). .

Ост и др. [43] успешно изготовили материалы для костных винтов с превосходными характеристиками, используя порошок Ti6Al7Nb и связующую систему на основе воска (парафин плюс ПЭ плюс стеариновая кислота), как показано на рисунке 7. Материал имеет относительную плотность 97,6%, прочность на растяжение 815 МПа. , предел текучести 714 МПа и относительное удлинение 8,7%.

Результаты исследований показали, что элементы сплава, такие как Al и V, в широко используемых сплавах титана, алюминия, ванадия и сплавах титана, алюминия и ниобия выделяют цитотоксические ионы Al и V после того, как имплантаты попадают в организм человека, нанося вред организму человека.

В результате исследователи провели серию экспериментов нового поколения, которые содержат элементы биобезопасности, такие как Nb, Ta, Zr, Mo, Sn, но не элементы Al и V. Разработка систем из титановых сплавов.

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{{15} }Nb-13Ta-4.6Zr [44]. Из-за различных ограничений, таких как технология производства порошка, эти системы сплавов не нашли широкого применения в процессах литья порошков под давлением.

Чжао и др. [45] использовали порошок титана и порошок ниобия для экспериментов по литью под давлением, чтобы успешно получить двухфазные сплавы TiNb с относительной плотностью около 95 процентов. Путем тестирования механических свойств неспеченных заготовок, отслоившихся деталей и спеченных деталей, а также наблюдения и сравнения микроструктуры спеченных деталей с различным содержанием сплава было изучено влияние содержания Nb на микроструктуру и механические свойства сплава.

Арокиасами и др. [46] приготовили сплав Ti-5Fe-5Zr, добавив элементы Fe и Zr в порошок чистого титана HDH, и измерили механические свойства сплава. По результатам испытаний получен механизм остаточных пор и влияние TiC на свойства материала сплава.

 

Рис. 7Ti6Al7Nb 骨钉Ti6Al7Nb костный винт, изготовленный MIM

3 Внешний вид

Низкий удельный вес, высокая удельная прочность, отличная биосовместимость, стойкость к окислению и хорошая коррозионная стойкость титана и титановых сплавов имеют большой потенциал для развития в таких областях, как аэрокосмическая, медицинская, химическая, автомобильная и товары повседневного спроса.

По сравнению с традиционными методами обработки, такими как ковка, литье и механическая обработка, технология порошкового литья под давлением имеет очевидные преимущества, такие как 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 из титана и титановых сплавов был достигнут некоторый прогресс, в процессе реального промышленного производства все еще необходимо решить ряд проблем, таких как высокая цена высококачественного порошкового сырья, недостаточное преобразование и применение. новых высококачественных систем из титановых сплавов для литья под давлением, а также сложность контроля химического состава продукта.

Кроме того, в связи с бурным развитием микросистемной техники в последние годы спрос на сложные микрокомпоненты, применяемые в микросистемах, продолжает расти. Порошковое литье под давлением должно перейти от традиционных типов продуктов к микропродуктам и развиться в технологию порошкового микролитья под давлением.

В настоящее время технология микролитья под давлением в основном сосредоточена на системах материалов, таких как полимеры и нержавеющая сталь, и все еще остается много вопросов, которые необходимо изучить в области микролитья под давлением титана и титановых сплавов.

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 и высококачественных технологий приготовления порошков из титановых сплавов и изучении микролитья под давлением из титановых материалов. подходит для микро сложных устройств.

Считается, что с углублением исследований в области технологии литья под давлением из титана и титановых сплавов технология литья под давлением из титана и титановых сплавов добьется значительного прогресса, тем самым способствуя быстрому развитию титановой промышленности.