Titanyum ve titanyum alaşımlı metal toz enjeksiyon teknolojisi

Titanyum ve titanyum alaşımlı metal toz enjeksiyon teknolojisi

 

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd., 2008 yılında sürekli araştırma ve geliştirme, yenilik, test etme, titanyum metal ve titanyum alaşımlı metal enjeksiyon kalıplama süreçleri yoluyla seri üretime ulaştı. İhtiyacı olan müşteriler varsa, lütfen bir e-posta gönderin: iş- mall@zw-jm.com Firmamıza iletin, profesyonel mühendisler en kısa iş günü içerisinde size cevap versinler,

Özet

Titanyum ve titanyum alaşımları düşük özgül ağırlığa, yüksek özgül güce, mükemmel biyouyumluluğa ve iyi korozyon direncine sahiptir ve havacılık, biyomedikal, kimya ve otomotiv gibi alanlarda büyük uygulama potansiyeline sahiptir.

Titanyum ve titanyum alaşımlı metal toz enjeksiyon kalıplama (MIM) teknolojisi, titanyum ve titanyum alaşımlı ürünlerin üretimini ve uygulamasını teşvik etmek için büyük önem taşıyan küçük ve orta ölçekli karmaşık şekilli titanyum ürünlerin büyük ölçekli ve düşük maliyetli hazırlanmasını sağlayabilir. .

Bu makale, titanyum ve titanyum alaşımlarının metal tozu enjeksiyon kalıplamasının özelliklerini ve avantajlarını tanıtmaktadır. Toz hammaddeler, bağlayıcı sistemler, toz enjeksiyon kalıplama, bağ ayırma ve sinterleme yönlerinden titanyum ve titanyum alaşımlı metal toz enjeksiyon kalıplama teknolojisinin araştırma ilerlemesini özetler. Halihazırda var olan ana sorunlara yanıt olarak, titanyum ve titanyum alaşımlarının metal tozu enjeksiyon kalıplamasının araştırma yönünü ve gelişme umutlarını analiz eder.

anahtar kelimeler titanyum; Titanyum alaşımı; Enjeksiyon kalıplama; Araştırma ilerleme sınıflandırma numarası TF125.2; TF125.2 artı 2

(Editörün notu: İngilizce giriş çıkarılmıştır...)

Cevherden metalik titanyum elde etmenin endüstriyel üretim yöntemi 1840'larda hakim olduğundan, titanyum ve titanyum alaşımları endüstriyel ve ticari tesislerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, çeliğe kıyasla, yıllık üretimi hala küçüktür ve hammadde maliyetlerinin yüksek olması nedeniyle, uygulama kapsamı çoğunlukla denizcilik endüstrisi, kimya endüstrisi, havacılık endüstrisi, tıbbi cihazlar, implantlar, lüks ürünler ve diğer endüstrilerle sınırlıdır. malzeme performansı için yüksek gereksinimler ile.

Şu anda, yüksek hammadde fiyatlarına ek olarak, titanyum ve titanyum alaşımlarının işlenmesi ve biçimlendirilmesinin zorluğu, uygulama alanlarını büyük ölçüde sınırlandırmaktadır.

Titanyum ve titanyum alaşımlarının işlenebilirliği zayıftır ve geleneksel işleme yöntemleri pahalı ekipmanlara ve düşük işleme verimliliğine sahiptir, bu da işleme maliyetlerini büyük ölçüde artırır; İşlenebilen titanyum parçaların yapısı çok basittir ve işleme yöntemlerinin sınırlamaları nedeniyle çoğu malzeme performansını en üst düzeye çıkarabilecek tasarım çözümlerine ulaşamaz.

Bu bağlamda, yüksek hammadde kullanımı ve düşük toplu üretim maliyeti avantajlarına sahip olan metal enjeksiyon kalıplama (MIM), ideal bir titanyum ve titanyum alaşımı işleme süreci haline gelmiştir [1-4].

Metal tozu enjeksiyon kalıplama işlemi genellikle enjeksiyon malzemesi hazırlama, enjeksiyon kalıplama, bağ çözme, sinterleme ve gerekli son işleme gibi birkaç temel işlemi içerir.

Şekil 1'de gösterildiği gibi, bir enjeksiyon malzemesi hazırlamak için önce metal tozu ve organik bağlayıcı bileşenler karıştırılır, karıştırılır ve granüle edilir. Daha sonra, enjeksiyon malzemesi belirli bir sıcaklık ve basınçta kalıba enjekte edilir, soğutulur ve belirli bir şekle sahip yeşil bir ürün elde etmek için kalıptan çıkarılır. Daha sonra, bağ çözme işlemi yoluyla, yeşil üründen metal tozu dışındaki tüm organik bileşenler ayrılarak, bağ açıcı yeşil bir ürün oluşturulur. Son olarak, ürünün istenen performansını elde etmek için sinterleme yapılır.

Metal tozu enjeksiyon kalıplama teknolojisi, enjeksiyon kalıplama ve geleneksel toz metalurji teknolojisinin organik bir kombinasyonunu elde ederek, yüksek işleme maliyetinin dezavantajlarının, geleneksel kalıplama işleminin basit şeklinin, izostatik presleme ve enjeksiyon kalıplama işleminin düşük üretim verimliliğinin, geleneksel birçok kusurun üstesinden gelmiştir. döküm işlemi ve düşük tolerans doğruluğu. Titanyum ve titanyum alaşımlı ürünlerin üretimini ve uygulamasını büyük ölçüde teşvik etmiştir (Şekil 2'de gösterildiği gibi).

1 MIM tarafından üretilen titanyum ve titanyum alaşımlarının akış şeması

 

2 MIM tarafından üretilen titanyum ve titanyum alaşımlarının uygulamaları

 

Titanyum ve titanyum alaşımlı metal toz enjeksiyon kalıplamanın araştırma durumu

Araştırmalar, titanyum ve titanyum alaşımı enjeksiyonla kalıplanmış ürünlerin mekanik özelliklerinin, korozyon direncinin ve biyomedikal özelliklerinin dört yönden büyük ölçüde etkilendiğini göstermiştir: bağıl yoğunluk, safsızlık içeriği, alaşım elementleri ve mikro yapı.

Enjeksiyon kalıplama ürünü sinterlendikten sonra, bağıl yoğunluğu yaklaşık yüzde 95'tir ve belirli bir oranda artık gözenek olacaktır.

Bu artık gözenekler, numune kırıldığında çatlak kaynağı haline gelecek ve malzemenin gerilme mukavemeti, süneklik, kırılma tokluğu, yorulma mukavemeti ve diğer mekanik özellikleri üzerinde daha büyük bir etkiye sahip olacaktır. Bu nedenle, titanyum ve titanyum alaşımı enjeksiyonla kalıplanmış ürünlerin nispi yoğunluğu ne kadar yüksekse, mekanik özellikleri o kadar iyidir.

Oksijen, karbon, nitrojen, hidrojen vb. safsızlık elementleri, özellikle oksijen, malzemelerin akma mukavemetini, çekme mukavemetini ve sertliğini artırarak sünekliği azaltabilir. Sinterleme sıcaklığında saf olmayan elementler matriks titanyumda çözünür. Etkili indirgeyici maddelerin bulunmaması nedeniyle, sinterleme işlemi sırasında titanyum ve titanyum alaşımlarındaki safsızlık elementlerini kontrol etmek zordur. Bu, ham maddelere ve sonraki her bir işlem adımına eklenen oksijen miktarının en aza indirilmesini gerektirir.

Tane boyutu ve sinterlemeden sonraki faz bileşimi dahil olmak üzere titanyum ve titanyum alaşımlarının mikro yapısı, malzemenin mekanik özelliklerini etkileyebilir. Genel olarak, mükemmel performansa sahip enjeksiyonla kalıplanmış titanyum ve titanyum alaşımlı malzemeler, yüksek yoğunluğa, düşük safsızlık içeriğine (genellikle oksijen içeriği), uygun alaşım bileşimine, yoğunlaştırma sırasında ince tane boyutuna ve daha az kusura sahiptir [5].

1.1 Toz ham maddeler

Toz hammaddelerin seçimi, titanyum toz enjeksiyon kalıplama işleminde önemli bir adımdır. Tozun parçacık boyutu dağılımı ve morfolojisi, enjeksiyon kalıplama bileşiğinin akışkanlığını ve şekillendirilebilirliğini, bağ çözme işlemi sırasında ham gövdenin şeklini korumasını ve sinterleme işlemi sırasında çekme oranını doğrudan etkiler.

Titanyum ve titanyum alaşımı tozlarının hazırlanmasında yaygın olarak kullanılan yöntemler, mekanik yöntemi ve atomizasyon yöntemini içerir.

Bilyalı öğütme, karıştırmalı bilyeli öğütme, yüksek enerjili titreşimli bilyeli öğütme ve hava akımıyla öğütme gibi mekanik yöntemlerle elde edilen tozun şekli genellikle düzensiz veya köşelidir.

Hidrojenasyon dehidrojenasyon (HDH) işlemi, hidrojen absorpsiyonundan sonra titanyumun bariz gevrekleşme özelliklerini kullanır. Mekanik öğütme veya hava akımıyla ezme ile ezilir ve ardından Şekil 3 (a)'da gösterildiği gibi düzensiz şekilli titanyum tozu elde etmek için dehidrojenasyona tabi tutulur. Atomizasyon yöntemi (inert gaz atomizasyonu, plazma ışını dönen elektrot atomizasyonu ve elektrot indüksiyon eritme gazı atomizasyonu gibi), ham tozun yüksek saflığını korumak için tamamen inert bir atmosferde gerçekleştirilebilir. Hazırlanan toz küre şeklindedir ve Şekil 3 (b)'de gösterildiği gibi iyi istifleme performansı ile oldukça geniş bir parçacık boyutu dağılımına sahiptir.

Ayrıca çelik tozunun üretim teknolojisinden farklı olarak daha ince titanyum tozunun üretimi daha zordur. Parçacık boyutu küçüldükçe özgül yüzey alanı artar ve safsızlık elementlerinin içeriği de artar.

Tipik olarak MIM, partikül boyutu 45 μm'den küçük olan titanyum tozu kullanır. Toz parçacıkları çok büyük olduğunda, enjeksiyon işlemi toz bağlayıcı ayrılmasına ve kusurların oluşmasına eğilimlidir. Enjeksiyon malzemesi bileşimi ve kalıp tasarımının tasarımını tam olarak dikkate almak gerekir [5].

Şekil 3 MIM'de kullanılan HDH (a) ve gaz atomize (b) titanyum tozu

1.2 Yapıştırıcı

Bağlayıcı, tüm enjeksiyon kalıplama işlemi boyunca aşamalar halinde var olan bir taşıyıcıdır ve ana işlevi, kalıbı sıvı haldeki tozla eşit şekilde doldurmak, istenen şekli oluşturmak ve ön sinterleme aşamasına kadar korumaktır.

Enjeksiyon kalıplama işleminde, bağlayıcı aşağıdaki özelliklere sahip olmalıdır: düşük erime noktası, toz parçacıklarına karşı iyi ıslanabilirlik ve enjeksiyon malzemelerinin hazırlanması için uygun olan hızlı katılaşma; Enjeksiyon sıcaklığında iyi akışkanlığa sahiptir; Şekillendirildikten sonra, daha az artık malzeme ve toksik olmayan ve aşındırıcı olmayan ayrışma ürünleri ile kütükten kolayca çıkarılabilir.

Genel olarak, bağlayıcı bileşenler en azından ana bileşeni ve ikincil bileşenleri içerir:

Ana bileşen, metal tozu partiküllerini ıslatmak ve gerekli akışkanlığı sağlamak için kullanılırken, ikincil bileşen, enjeksiyon işlemi sırasında ve bağlayıcının ana bileşeninin çıkarılmasından sonra enjeksiyon yeşil gövdenin hala yeterli mukavemete sahip olmasını sağlar.

Çoğu durumda bağlayıcı sistem, metal tozları ve polimerler arasındaki uyumluluğu iyileştirmek için yüzey aktif maddeler gibi üçüncü bir bileşene sahiptir.

Bağlayıcı bileşenlerdeki farklı ana bileşenlere göre, yaygın olarak kullanılan bağlayıcı sistemler, mum bazlı sistemler, aromatik bileşik bazlı sistemler, polioksimetilen sistemler ve su bazlı sistemler olarak ayrılabilir.

1.2.1 Balmumu bazlı bağlayıcı

Balmumu bazlı sistem bağlayıcıları için yaygın olarak kullanılan mumlar, parafin, bal mumu, palmiye mumu, vb. gibi birkaç kısa zincirli polimer içerir. Düşük erime noktasına, iyi ıslanabilirliğe, kısa moleküler zincirlere, düşük viskoziteye ve diğerlerine kıyasla ayrışma sırasında daha küçük hacim değişikliklerine sahiptirler. ürünün boyutsal doğruluğunu sağlamaya elverişli olan polimerler.

Mum bazlı sistemlerin yaygın olarak kullanılan ikincil bileşenleri arasında polipropilen, polietilen, etilen vinil asetat kopolimer ve yüksek moleküler ağırlıklı polimetil metakrilat bulunur. Balmumu ve iskelet bağlayıcılara ek olarak, toz ve polimer arasındaki uyumluluğu iyileştirmek için genellikle stearik asit gibi bir yüzey aktif madde eklenir.

Literatürde bildirilen en eski mum bazlı bağlayıcı sistem Kaneko ve ark. [6], bir bağlayıcı olarak parafin polibütil metakrilat etilen vinil asetat kopolimeri dibütil ftalat ve özel bir enjeksiyon malzemesi hazırlamak için titanyum tozu kullandı. Toz yüklemesi yüzde 56 idi ve ayrıldıktan sonra 1300 derece C ve 1.3 Pa'da sinterlendi. Elde edilen sinterlenmiş numunenin bağıl yoğunluğu yüzde 94 ve 1000 MPa basınç dayanımına sahipti, ancak yüksek safsızlık içeriği nedeniyle neredeyse hiç sünekliği yoktu.

Kato ve ark. [7], sinterlenmiş parçalardaki karbon ve oksijen içeriğini önemli ölçüde azaltan, vakumlu ayırma ve argon atmosferi ayırmayı birleştiren iki aşamalı bir ayırma işlemi üzerinde çalıştı.

Guo ve ark. [8-9], bir miktar parafin yerine daha iyi ıslanabilirliğe sahip polietilen glikol kullandı ve saf titanyum ve titanyum alüminyum vanadyum alaşımlarının enjeksiyonla kalıplanmasında kullanılan bir parafin polietilen polietilen polipropilen polipropilen stearik asit bağlayıcı sistemi geliştirdi. Sinterlenmiş parçalar iyi bir şekil tutuşuna ve küçük inçlik dalga hareketine sahipti. Oksijen ve karbon içeriğinin azalması nedeniyle, performans büyük ölçüde geliştirildi ve bu da iyi bir performansla sonuçlandı.

Buna ek olarak, araştırmacılar, parafin mumu [10-13] için kısmi bir ikame olarak hurma mumu ve iyi biçimlendirme etkileri olan mum bazlı bir bağlayıcı sistem için parafin mumu [14] için tam bir ikame olarak hurma yağı kullandılar. Bununla birlikte, hurma mumunun kendisinde bulunan oksijen elementi nedeniyle, aynı zamanda bir oksijen zenginleştirme kaynağıdır,

Şu anda, literatürde bildirilen optimum mum bazlı bağlayıcı sistem, Friederici ve diğerleri tarafından önerilmiştir. [15]. Deneysel süreçte parafin, düşük yoğunluklu polietilen ve stearik asit oranları ayarlanarak dört bağlayıcı oranı oluşturulmuş ve bu oranlara göre farklı enjeksiyon malzemeleri oluşturulmuş, bağları çözülmüş ve sinterlenmiştir. Yüzde 98,1 bağıl yoğunluğa ve ikincil saf titanyum gereksinimlerini karşılayan bir kimyasal bileşime sahip bir numune elde edildi.

Balmumu bazlı bağlayıcı sistemler, enjeksiyon kalıplamada önemli bir rol oynar, ancak organik çözücüler kullanılarak çözücü bağ ayırmanın düşük verimliliği nedeniyle, araştırmacılar sürekli olarak yeni bağlayıcı sistemler geliştirdiler ve geliştirdiler.

1.2.2 Aromatik bileşik bazlı bağlayıcılar

Aromatik bileşikler (naftalin, antrasen vb.) çok düşük sıcaklıklarda çözünebilir ve düşük basınç koşullarında erime noktalarının altındaki sıcaklıklarda süblimleşme yoluyla doğrudan katıdan gaza dönüşebilirler. Bağlayıcı bileşenler olarak aromatik bileşiklerin kullanılması, bağ çözme işleminin verimliliğini büyük ölçüde artırabilir.

Weil ve ark. [16-18], titanyum metal tozu enjeksiyon kalıplamada aromatik bileşikler kullandı. Araştırmasında, bağlayıcı olarak naftalin, yüzde 1 kütle fraksiyonu stearik asit ve yüzde 3 ila yüzde 12 kütle fraksiyonu etilen asetat etilen kopolimer kullanılarak yoğun titanyum alüminyum vanadyum alaşımları ve gözenekli titanyum alüminyum vanadyum alaşımları hazırlandı.

Deney sırasında, naftalinin doğrudan gaza süblimleşmesi nedeniyle, bağ çözme işlemi sırasında sıvı faz ortaya çıkmadı ve numune hacmi değişmedi. Çözücüyle yağ almanın aksine, süblimasyon yönteminde yer alan yüzey enerjisi nispeten düşüktür, bu da deformasyon ve çatlama gibi yaygın yağ giderme kusurlarının önlenebileceği anlamına gelir. Sonunda sinterlenmiş numunenin nispi yoğunluğu yüzde 96.6 idi ve karbon içeriği artmadı.

Yapıştırıcı sistem mükemmel ürün performansına ulaşmış olsa da, sistemdeki aromatik bileşiklerin çevre ve fiziksel sağlık üzerinde hala etkisi vardır ve daha fazla çalışılmamıştır veya geniş ölçekte uygulanmamıştır.

1.2.3 Polioksimetilen bazlı bağlayıcı

Poliformaldehit ilk olarak 1984 yılında Celanese Corp tarafından bağlayıcı sistemde kullanılmış ve daha sonra BASF tarafından geliştirilmiş ve bağlayıcı bileşenlerin mum veya küçük moleküler ağırlıklı bileşenler içermemesini mümkün kılmıştır [19].

Poliformaldehit, bu bağlayıcı sistemin ana bileşenidir ve daha sonraki geliştirme sürecinde iskelet bağlayıcı olarak kademeli olarak polietilen (PE) eklenir.

Şu anda BASF, düşük alaşımlı çelik, paslanmaz çelik, takım çeliği, titanyum ve titanyum alaşımları ve seramik gibi birçok malzemeyi kapsayan bu bağlayıcı sistemine dayalı enjeksiyon kalıplama malzemeleri oluşturdu.

Poliformaldehitin önemli özelliği, asidik reaktiflere duyarlılığı ve asidik ayrışmaya duyarlılığıdır. Bu nedenle yeşil gövde, yumuşama sıcaklığının altındaki asidik bir atmosferde işlenebilir. Polioksimetilen işlemi, bağlayıcı bileşenlerin kaynamasından kaynaklanan çatlaklar ve genleşme gibi kusurları önleyerek katı haldedir. Ayrıca deformasyon küçüktür, şekil tutma iyidir ve boyut kontrolü doğrudur.

Ek olarak, yüksek difüzyon hızı nedeniyle, diğer yağ giderme yöntemlerine kıyasla yağ giderme hızı daha yüksektir, geleneksel çözücü ayırma oranının 10 katına ulaşırken, daha kalın boyutta bağ gidermeye izin verir [20].

Polioksimetilen esaslı bağlayıcı sistemin yukarıda belirtilen birçok avantajı olmakla birlikte birçok dezavantajı da bulunmaktadır.

Katalitik bağ çözme işleminde genellikle katalizör olarak oldukça aşındırıcı nitrik asit buharı kullanılır. Bir yandan poliformaldehit, enjeksiyon malzemelerinin hazırlanması ve enjeksiyonla kalıplama aşamaları sırasında ayrışarak oldukça toksik formaldehit üretebilir. Ayrıca, ayrışma ürünlerinin iki aşamalı yanma yoluyla uzaklaştırılması gerekir. Öte yandan, katalitik bir rol oynayan asidik atmosfer, ekipmanı daha fazla aşındırır ve daha fazla yatırım gerektirir.

1.2.4 Su bazlı bağlayıcı

Yukarıda belirtilen birkaç bağlama maddesi sisteminde kullanılan bağ çözücü çözücüler (heptan ve heksan gibi) veya bağlayıcı madde bileşenlerinin (aromatik bileşik monomerler ve formaldehit) ayrışma ürünleri, çevreye ve operatörlere az çok zararlıdır. Bu nedenle, çevre dostu solvent bağlayıcı madde sistemlerinin geliştirilmesi ve kullanılması büyük önem taşımaktadır.

Mevcut çevre dostu bağlayıcı sistemi, bağ çözücü solvent olarak su kullanır.

Enjeksiyon malzemelerinin hazırlanmasında suyun farklı rollerine göre, bu tür bağlayıcı sistemler jel bazlı ve jel bazlı olmayan olarak ayrılabilir.

Jel bazlı olmayan sistemlerde kullanılan yaygın polimer, iyi performansa sahip, ucuz ve elde edilmesi kolay olan polietilen glikoldur. Düşük moleküler ağırlıklı polietilen glikol, yaygın olarak kullanılan yaklaşık 500-2000 moleküler ağırlık aralığı ile 60°C'de hızla ve neredeyse tamamen çıkarılabilir. Yaygın olarak kullanılan iskelet bağlayıcı, moleküler ağırlığı 10000 olan polimetil metakrilattır.

Sidambe ve ark. [21], yüzde 69'luk bir toz yükleme hızında çalışmak için polietilen glikol polimetil metakrilat stearik asidin suda çözünür bir bağlayıcı bileşenini kullandılar.

Deneyde, polietilen glikol 5 saat sonra 55 derece C'deki suda tamamen çıkarıldı ve polimetil metakrilat, 440 derece C'de sıcak bağ çözücü argon gazı akışında tamamen çıkarıldı. Nihai oksijen içeriği (kütle fraksiyonu) hazırlanan numunenin yüzde 0,2'si, buna karşılık gelen 850-880 MPa gerilme mukavemeti ve yüzde 8,5 -16 uzama, ASTM derece 5 Ti standardını karşılıyor.

Jel bazlı bağlayıcıların çoğu, selüloz, nişasta agar, vb. gibi doğal maddelerdir.

Tokura ve ark. [22] titanyum toz enjeksiyon kalıplamada polimer bağlayıcıların yerini almak için agar kullandılar ve bu bağlayıcı sistemin termal stabilitesini, çözünürlüğünü ve enjeksiyon malzemesi viskozitesini incelediler.

Suzuki [24] ve ark. yüzde 4 kütle fraksiyonu içeren agar (moleküler ağırlık 82 500) bağlayıcı kullanarak nispi yoğunlukta yüzde 97,3 numune hazırladı. Numunelerin karbon ve oksijen kütle fraksiyonları sırasıyla yüzde 0,33 ve 0,3'tür. Akma dayanımı 539 MPa'dır ve uzama yaklaşık yüzde 10'dur. Deneysel sonuçlar, yüksek moleküler ağırlıklı agar kullanıldığında jel kuvvetinin arttığını, ancak kalan karbon ve oksijen içeriğinin yüksek olduğunu, bunun da daha düşük sinterleme yoğunluğu, gerilme mukavemeti ve sinterlenmiş parçaların uzamasıyla sonuçlandığını göstermektedir.

Jel bazlı olmayan su bazlı bağlayıcının kontrolü kolaydır, yağ giderme ekipmanı diğer yağ giderme yöntemlerinden daha ucuzdur ve bağlayıcı biyolojik olarak parçalanabilir ve mikroorganizmalar için toksik değildir, ancak atık suyun yağ giderme için arıtılması ek maliyetler gerektirir.

Jel bazlı bağlayıcı sistem enjeksiyonlu kalıplama bileşiği tarafından üretilen nihai parçaların boyutunu kontrol etmek zordur ve bileşim yeterince kararlı değildir, bu nedenle işlem koşulları ve kalite kontrolü zordur ve daha fazla araştırma ve optimizasyona ihtiyaç vardır.

1.3 Enjeksiyon kalıplama, bağ ayırma ve sinterleme

Enjeksiyon kalıplama işlemi parametreleri, enjeksiyon malzemesinin performansı ve hedef ürünün geometrik şekli ile belirlenir.

Daha önce bahsedildiği gibi, titanyum tozunun parçacık boyutu genellikle kabadır ve bu, paslanmaz çelik malzeme enjeksiyonlu kalıplamaya kıyasla toz bağlayıcı ayrılmasına eğilimlidir. Enjeksiyon kalıplamadan önce, şekillendirilmiş kütükteki kusurları azaltmak için enjeksiyon malzemesinin reolojik özelliklerine dayalı olarak uygun şekillendirme prosesi parametreleri geliştirilmelidir.

Wang ve ark. [25], toz mum bazlı bir bağlayıcı sistemle birleştirilmiş Ti-6Al-4V alaşımını kullanarak enjeksiyon kalıplama malzemeleri hazırladı ve farklı toz yükleme miktarları ve sıcaklıkları altında enjeksiyon malzemelerinin reolojik özelliklerini test edip analiz etti, enjeksiyonlu kalıplama işlemi için uygun biçimlendirme parametrelerinin geliştirilmesi için bir temel sağlar.

park et al. aerosol haline getirilmiş titanyum tozu, HDH titanyum tozu ve küreselleştirilmiş HDH titanyum tozu kullanarak enjeksiyon malzemeleri hazırladı ve bunların reolojik özelliklerini ve ayrılma davranışlarını ölçtü. Enjeksiyon malzemesi için bir şekillendirilebilirlik indeksi önerdiler ve performansını buna göre değerlendirdiler. Analiz sonuçları, enjeksiyon malzemesi sisteminde HDH tozu ve aerosol haline getirilmiş tozun eş zamanlı kullanımı için teorik bir temel sağladı.

Bariyer ve ark. [27], deneysel ve sayısal simülasyon süreçlerine dayalı olarak, hatasız ve gerekli mekanik özelliklere sahip metal enjeksiyonla kalıplanmış parçalar üretmek için en uygun işlem parametrelerini araştırdı. Modelleme tekniklerine dayalı olarak, iki fazlı bir akış denklemi ve yeni geliştirilen açık bir algoritma, sayısal simülasyon kullanılarak enjeksiyon işlemi sırasında malzeme ayrılma olayını tahmin etmek için kullanıldı.

Chen ve ark. [28], bir enjeksiyon malzemesi hazırlamak için hidrojene dehidrojene Ti-6Al-4V ön alaşım tozu ve suda çözünür bağlayıcı sistemi kullandı ve ardından suda çözünür bağlayıcı bileşen polietilen glikolün ayrılma oranını ölçtü. farklı sıcaklıklarda farklı kalınlıktaki numunelerde. Bağlayıcı sistemin bağ çözme mekanizmasını belirlemek için bir difüzyon kontrollü bağ çözme matematiksel modeli oluşturulmuştur.

Sidambe [29] ve diğerleri, sinterleme sıcaklığı, süresi, ısıtma hızı, atmosfer ve diğer parametrelerin optimal kombinasyonunu belirlemek için Taguchi yöntemlerini kullandılar.

ne de et al. [30] palm stearat ve polietilen bağlayıcı sistemi kullanarak Ti – 6Al – 4V enjeksiyon malzemesini hazırlamışlar ve Taguchi yöntemlerini kullanarak optimum üretim sürecini formüle etmişlerdir. Son olarak, 934.4 MPa akma dayanımına ve yüzde 10 uzamaya sahip bir numune elde edildi ve genel performansı ASTM B348-02 tıbbi titanyum alaşımının gereksinimlerini karşıladı.

Obasi ve ark. [31], ASTM B348-02 titanyum alaşımı derece 23'ün gerekliliklerini karşılayan özelliklere sahip Ti-6Al-4V numuneleri hazırladı ve temel işlem parametresi sistemlerindeki değişikliklerin termal Ti-6Al-4V toz MIM bileşenlerinin yağ giderme ve sinterleme işlemleri.

Limberg ve ark. [32], enjeksiyon kalıplama işlemi sırasında bir elemental toz karışımı kullanarak Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C'yi hazırladı ve sinterleme süresinin etkilerini inceledi. ve gerilme özellikleri ve mikroyapı üzerindeki atmosfer. Yaklaşık 630 MPa çekme mukavemetine sahip bir numune elde edildi.

Guo ve ark. [8-9], enjeksiyon kalıplama teknolojisini kullanarak saf titanyum ve Ti-6Al-4V malzemeleri hazırladı ve sıcak izostatik presleme ve tavlama gibi ısıl işlem işlemlerinin, malzemenin özellikleri üzerindeki etkilerini inceledi. alaşımlı malzeme. Isıl işlem etkisi, niteliksel ve niceliksel olarak mikro yapı ve mekanik özellikler testi yoluyla karakterize edildi ve mikro yapısı Şekil 4'te gösterildi.

Atomize titanyum tozu, hidrojene dehidrojene titanyum tozu ve mum bazlı bağlayıcı sistem karıştırılarak bir yorum enjeksiyon malzemesi hazırlanır. Enjeksiyonla kalıplamadan sonra, heptan ve etanolden oluşan bir karışım içinde solvent bağının çözülmesi gerçekleştirilir. Belirli bir ısıtma hızında 350, 420 ve 600°C'ye ısıtıldıktan sonra bağlayıcı tamamen uzaklaştırılır ve sinterleme sıcaklığı 1230°C'de 3 saattir. Son olarak, sinterlenmiş numunenin gerilme özellikleri 389-419 MPa idi ve uzama yüzde 2-4 idi.

Araştırma grubumuzun üyeleri [33], aerosol haline getirilmiş titanyum tozu ve suda çözünür bağlayıcıdan oluşan bir sistem kullanarak saf titanyum numuneleri hazırladılar ve sinterleme sıcaklığının ve tutma süresinin saf titanyum numunelerinin özellikleri üzerindeki etkilerini incelediler. Sinterleme işlemi, 10-4-10-3 Pa vakum derecesi altında, 1350°C sinterleme sıcaklığı ve 3 saat tutulduktan sonra elde edilen yüzde 20.3'lük bir uzama ile gerçekleştirildi. Numuneler, yüzde 96,9'luk bir bağıl yoğunluk ve 443 MPa'lık bir gerilme mukavemeti, Biyomedikal Derece II Saf Titanyum Standardı ile ASTM F2989-13'nin en iyi toz metalürjisi performansına tamamen uygundur.

4 Ti (a) ve Ti-6Al-4V(b) örneklerinin mum bazlı hammaddelerle hazırlanmış mikro yapıları

2 Yeni Titanyum ve Titanyum Alaşımlı Enjeksiyon Kalıplama Malzemesi

Titanyum ve titanyum alaşımları şu anda ortopedi, dişçilik ekipmanları ve tıbbi implantlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, titanyum ve insan kemiği (yaklaşık 20 GPa'lık bir elastik modül ile) arasındaki mekanik özelliklerdeki farklılık nedeniyle, kemik/implant arayüzünde stres koruyucu etkiler üretilir ve bu, gösterildiği gibi uzun vadeli klinik sonuçları büyük ölçüde tehlikeye atabilir. Şekil 5.

Bu nedenle araştırmacılar, titanyum malzemelerinin mekanik özelliklerini, yapılarını ve alaşım bileşimlerini değiştirerek, onları insan vücudundaki doğal kemiklerin yapısına ve performansına yaklaştırarak ayarladılar.

5 Biyomedikal titanyum alaşımlarının elastisite modüllerinin karşılaştırılması

2.1 Gözenekli titanyum malzemeler ve titanyum seramik kompozitler

Gözenekli titanyum malzemeleri ve yeni titanyum alaşımlı sistem malzemeleri, uygun gözenek yapısına ve mekanik özelliklere sahiptir, bu da onları ortopedik replasman implantları için ideal malzemeler haline getirir.

Bir yandan, implant ve kemik dokusu arasındaki stres uyumsuzluğunu etkili bir şekilde azaltabilir, böylece stres kalkanı etkisini azaltabilir ve implantın uzun ömürlü ve etkili işlevini sağlayabilir; Öte yandan gözenekli yapı, kemik hücrelerinin implant gövdesine dönüşmesi için gerekli bir koşuldur ve birbirine bağlı gözenekli yapı, büyük miktarda vücut sıvısının geçmesine izin vererek kemik hücrelerinin büyümesini daha da destekler.

Gu ve ark. TiH2'yi köpürtücü ajan ve aktivatör olarak titanyum alüminyum vanadyum element tozuna ekleyerek açık gözenek yapısına sahip yeni bir tip TC4 alaşımı oluşturdu, tekdüze gözenek boyutu dağılımı ve gözenek boyutu 90 ila 190 μm arasında değişiyor. Gözeneklilik yaklaşık yüzde 43 ~ yüzde 59'dur ve elastik modül 5,8 ila 9,5 GPa arasındadır. Motor ve ark. [35], gözenek oluşturucu madde teknolojisi ile birleştirilmiş toz enjeksiyon kalıplama (PIM) teknolojisini kullanarak çok mikro gözenekli titanyum alaşımları hazırladılar ve gözenek oluşturucu madde polimetil metakrilat miktarının alaşımın yoğunluğu, basınç dayanımı ve elastik modülü üzerindeki etkisini incelediler.

Tuncer ve ark. [36], gözenek oluşturucu maddeler olarak belirli bir miktarda NaCl ve KCl ekleyerek başlangıç ​​tozunun son gözenekli titanyum ürününün performansı üzerindeki etkisini incelemek için atomize küresel toz, HDH titanyum tozu ve mum bazlı bağlayıcıdan oluşan bir sistem kullandı. Ayrıca, gözenek oluşturucu maddelerin miktarı ayarlanarak, tıbbi implantlar için gerekli gözeneklilik ve gözenek boyutuna sahip gözenekli bir titanyum malzeme elde edildi ve malzemenin kimyasal bileşimi, üçüncü sınıf saf titanyum standardını karşılayabilir.

Chen ve ark. [37], enjeksiyonla kalıplanmış numuneleri hazırlamak için bir gözenek oluşturucu madde olarak NaCl ve hidrojene edilmiş hidrojeni giderilmiş titanyum tozu mum bazlı enjeksiyon malzemesi kullanmışlardır. Elde edilen numuneler yüzde 42,4 ~ yüzde 71,6 gözenekliliğe ve 300 μm gözenek boyutuna sahipti. Şekil 6'da gösterildiği gibi. Kullanılan NaCl miktarı ayarlanarak, enjeksiyon parçası içinde birbirine bağlı gözenekler oluşturulabilir ve mekanik özellikleri süngerimsi kemiğe benzer.

Barbosa ve ark. [38], farklı bağlayıcı sistemlere sahip enjeksiyon malzemelerinin reolojik özelliklerini test etmek için ilk olarak Fe22Cr tozunu kullandı. Performans testi sonuçlarına göre uygun bir mum bazlı bağlayıcı sistem seçilmiştir. Daha sonra, sıcak presleme ve çok bileşenli enjeksiyon kalıplama için Ti tozu ve gözenek oluşturucu madde NaCl birleştirildi. Yağdan arındırma ve sinterlemeden sonra, yoğun bir çekirdeğe ve dış gözeneklilik gradyanına sahip bir omurga implant bileşeni hazırlandı.

6 Boşluk tutucu olarak NaCl kullanan gözenekli titanyum enjeksiyon kalıplama bileşeni

İnsan doğal kemik dokusu ile aynı kimyasal bileşime ve kristal yapıya sahip olan hidroksiapatit (HA), kemik replasmanı ve kemik rekonstrüksiyonunda benzersiz avantajlara sahiptir ve biyomedikal cihazlarda giderek daha önemli bir rol oynamaya başlamıştır.

Ancak yüksek kırılganlığı ve zayıf mekanik özellikleri nedeniyle HA tek başına yük taşıyıcı bir bileşen olarak kullanılamamakta, bu da HA ve titanyum malzemelerden oluşan yeni bir biyomedikal malzeme türünün ortaya çıkmasına neden olmaktadır.

Thian ve ark. [39-42], enjeksiyon kalıplama yöntemini kullanarak Ti6Al4V/HA kompozit malzemelerin hazırlanmasını inceledi. İlk olarak seramik bulamaç yöntemi kullanılarak Ti6Al4V/HA kompozit tozu hazırlanmıştır. Daha sonra, hazırlanan toz ticari bağlayıcı PAN-250S ile karıştırılarak bir özel enjeksiyon malzemesi hazırlandı. Enjeksiyon malzemesinin reolojik özellikleri test edildi ve ayırma işlemi sırasında ısıtma hızı ve bağ çözücü atmosfer gaz akış hızının bağ çözme kusurları, bağlayıcı çıkarma miktarı ve artık karbon içeriği üzerindeki etkileri incelendi; Sinterleme işlemi parametrelerinin (ısıtma hızı, sinterleme sıcaklığı, tutma süresi, soğutma hızı, vb.) nihai numunenin performansı üzerindeki etkisi, numunenin yaklaşık yüzde 50'si kadar gözenekliliğe neden olur; Ayrıca hazırlanan Ti6Al4V/HA malzemesinin vücut sıvısı ortamında biyolojik bozunma süreci analiz edilmiş ve mekanik özellikler test sonuçları ile karakterize edilmiştir.

2.2 Yeni Titanyum Alaşımlı Malzemeler

Biyomedikal alanı, titanyum malzeme uygulamasının önemli bir dalı olarak, uygulama talep yönü, titanyum malzemelerin gelişme eğilimini doğrudan etkilemektedir.

Erken titanyum malzemelerinde saf titanyum kullanıldı（ Esas olarak fazlardan oluşur, ancak saf titanyum malzemelerin daha düşük mukavemeti ve zayıf aşınma direnci vardır, bu da Ti6Al4V, Ti6Al7Nb ve Ti5Al2.5Fe artı A Tipi alaşım ile temsil edilen yüksek mukavemetli ve yüksek tokluklu malzemelerin geliştirilmesine yol açar .

Aust ve ark. [43], Şekil 7'de gösterildiği gibi, Ti6Al7Nb tozu ve mum bazlı bir bağlayıcı sistem (parafin artı PE artı stearik asit) kullanarak mükemmel performansa sahip kemik vidası malzemelerini başarıyla üretti. Malzemenin bağıl yoğunluğu yüzde 97,6, gerilme mukavemeti 815 MPa'dır 714 MPa akma dayanımı ve yüzde 8,7 uzama.

Araştırma sonuçları, yaygın olarak kullanılan titanyum alüminyum vanadyum alaşımları ve titanyum alüminyum niyobyum alaşımlarındaki Al ve V gibi alaşım elementlerinin, implantlar insan vücuduna girdikten sonra sitotoksik Al ve V iyonları salarak insan vücuduna zarar verdiğini göstermiştir.

Sonuç olarak araştırmacılar, Nb, Ta, Zr, Mo, Sn gibi biyogüvenlik elementlerini içeren ancak Al ve V elementlerini içermeyen bir dizi yeni nesil deney gerçekleştirdi.

Şu anda geliştirilen ve araştırılan Biyolojik titanyum alaşımları başlıca Ti-15Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-35Nb-7Zr-5Ta'yı içerir , Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr ve Ti{{15} }Nb-13Ta-4.6Zr [44]. Toz üretim teknolojisi gibi çeşitli sınırlamalar nedeniyle, bu alaşım sistemleri toz enjeksiyon kalıplama işlemlerinde yaygın olarak kullanılmamaktadır.

Zhao ve ark. [45], yaklaşık yüzde 95 nispi yoğunluğa sahip TiNb çift fazlı alaşımlarını başarılı bir şekilde hazırlamak için enjeksiyon kalıplama deneylerinde titanyum tozu ve niyobyum tozu kullandı. Yeşil kütüklerin, ayrılan parçaların ve sinterlenmiş parçaların mekanik özelliklerinin test edilmesinin yanı sıra farklı alaşım bileşimi içeriklerine sahip sinterlenmiş parçaların mikro yapılarının gözlemlenmesi ve karşılaştırılması yoluyla, Nb içeriğinin alaşımın mikro yapısı ve mekanik özellikleri üzerindeki etkisi incelenmiştir.

Arokiasamy ve ark. [46], HDH saf titanyum tozuna Fe ve Zr elementleri ekleyerek bir Ti-5Fe-5Zr alaşımı hazırladı ve alaşımın mekanik özelliklerini ölçtü. Test sonuçlarına dayanarak, artık gözeneklerin mekanizması ve TiC'nin alaşım malzemesinin özellikleri üzerindeki etkisi elde edildi.

 

MIM tarafından hazırlanan Fig.7Ti6Al7Nb 骨钉Ti6Al7Nb kemik vidası

3 Görünüm

Titanyum ve titanyum alaşımlarının düşük özgül ağırlığı, yüksek özgül gücü, mükemmel biyouyumluluğu, oksidasyon direnci ve iyi korozyon direnci, havacılık, tıp, kimya, otomotiv ve günlük tüketim malları gibi uygulamalarda büyük gelişme potansiyeline sahiptir.

Dövme, döküm ve işleme gibi geleneksel işleme teknikleriyle karşılaştırıldığında, toz enjeksiyonlu kalıplama teknolojisi, tekdüze alaşım bileşimi, yüksek hammadde kullanım oranı ve büyük miktarlarda karmaşık şekilli parçalar için güçlü üretim kapasitesi gibi belirgin avantajlara sahiptir. titanyum ve titanyum alaşımlı ürünlerin üretimi ve uygulaması.

Titanyum ve titanyum alaşımlı enjeksiyon kalıplama araştırmalarında bir miktar ilerleme kaydedilmiş olsa da, yüksek kaliteli toz hammaddelerin yüksek fiyatı, yetersiz dönüştürme ve uygulama gibi gerçek endüstriyel üretim sürecinde hala çözülmesi gereken bir dizi sorun vardır. yeni yüksek kaliteli titanyum alaşımlı sistemlerin enjeksiyonlu kalıplamaya geçmesi ve ürünün kimyasal bileşiminin kontrol edilmesindeki zorluk.

Ayrıca son yıllarda mikrosistem teknolojisinin hızla gelişmesiyle birlikte mikrosistemlerde uygulanan mikro kompleks bileşenlere olan talep artmaya devam etmektedir. Toz enjeksiyon kalıplamanın geleneksel ürün tiplerinden mikro ürünlere geçmesi ve toz mikro enjeksiyon kalıplama teknolojisine doğru gelişmesi gerekiyor.

Şu anda, mikro enjeksiyon kalıplama teknolojisi çoğunlukla polimerler ve paslanmaz çelik gibi malzeme sistemlerine odaklanmıştır ve titanyum ve titanyum alaşımlarının mikro enjeksiyon kalıplamasında üzerinde çalışılması gereken birçok konu vardır.

Bu nedenle, titanyum ve titanyum alaşımı enjeksiyon kalıplama araştırmasının geliştirilmesi, yeni titanyum alaşımı sistemlerinin araştırılması ve geliştirilmesine, düşük maliyetli ve yüksek kaliteli titanyum alaşımı toz hazırlama teknolojisinin geliştirilmesine ve titanyum malzeme mikro enjeksiyon kalıplama çalışmasına odaklanmalıdır. mikro karmaşık cihazlar için uygundur.

Titanyum ve titanyum alaşımı enjeksiyon kalıplama teknolojisi üzerine yapılan araştırmaların derinleşmesiyle, titanyum ve titanyum alaşımı enjeksiyon teknolojisinin önemli ilerlemeler kaydederek titanyum endüstrisinin hızlı gelişimini teşvik edeceğine inanılmaktadır.