Titaani ja titaaniseosmetallijauhe ruiskuvalutekniikka

Titaani ja titaaniseosmetallijauhe ruiskuvalutekniikka

 

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. on saavuttanut massatuotannon jatkuvan tutkimuksen ja kehityksen, innovaation, testauksen, titaanimetallin ja titaaniseosmetallin ruiskuvaluprosessien avulla vuonna 2008. Jos asiakkaita on tarpeessa, lähetä sähköpostia: business- mall@zw-jm.com Anna se yrityksellemme, ja ammattitaitoiset insinöörit vastaavat sinulle oikea-aikaisesti lyhimmän työpäivän kuluessa,

Yhteenveto

Titaanilla ja titaaniseoksilla on alhainen ominaispaino, korkea ominaislujuus, erinomainen biologinen yhteensopivuus ja hyvä korroosionkestävyys, ja niillä on suuri sovelluspotentiaali esimerkiksi ilmailu-, biolääketieteessä, kemianteollisuudessa ja autoteollisuudessa.

Titaani- ja titaaniseosmetallijauheruiskuvalutekniikalla (MIM) voidaan saavuttaa pienten ja keskikokoisten monimutkaisten muotoiltujen titaanituotteiden laajamittainen ja edullinen valmistus, jolla on suuri merkitys titaanin ja titaaniseostuotteiden tuotannon ja käytön edistämisessä. .

Tässä artikkelissa esitellään titaanin ja titaaniseosten metallijauheruiskuvalun ominaisuudet ja edut. Se tiivistää titaanin ja titaaniseosmetallijauheen ruiskuvalutekniikan tutkimuksen edistymisestä jauheraaka-aineiden, sideainejärjestelmien, jauheruiskupuristuksen, sidosten purkamisen ja sintrauksen näkökulmasta. Vastauksena nykyisiin keskeisiin ongelmiin se analysoi titaanin ja titaaniseosten metallijauheruiskupuristuksen tutkimussuuntaa ja kehitysnäkymiä.

Avainsanat titaani; Titaaniseoksesta; Ruiskuvalu; Tutkimuksen edistymisen luokitusnumero TF125.2; TF125.2 plus 2

(Toimittajan huomautus: Englanninkielinen johdanto jätetty pois...)

Koska teollinen tuotantomenetelmä metallisen titaanin saamiseksi malmista hallittiin 1840-luvulla, titaania ja titaaniseoksia on käytetty laajalti teollisissa ja kaupallisissa tiloissa. Teräkseen verrattuna sen vuosituotanto on kuitenkin edelleen pieni, ja korkean raaka-ainehinnan vuoksi sen käyttöalue rajoittuu lähinnä meriteollisuuteen, kemianteollisuuteen, ilmailuteollisuuteen, lääkinnällisiin laitteisiin, implantteihin, luksustavaroihin ja muihin teollisuudenaloihin. korkeat materiaalin suorituskykyvaatimukset.

Tällä hetkellä raaka-aineiden korkeiden hintojen lisäksi titaanin ja titaaniseosten prosessoinnin ja muodostamisen vaikeus rajoittaa suuresti niiden käyttöaluetta.

Titaanin ja titaaniseosten työstettävyys on huono, ja perinteisillä koneistusmenetelmillä on kalliit laitteet ja alhainen käsittelytehokkuus, mikä lisää huomattavasti niiden käsittelykustannuksia; Koneistettavien titaaniosien rakenne on hyvin yksinkertainen, ja käsittelymenetelmien rajoitusten vuoksi useimmat niistä eivät pysty saavuttamaan materiaalin suorituskyvyn maksimoivia suunnitteluratkaisuja.

Tässä yhteydessä metalliruiskuvalusta (MIM), jonka etuna on korkea raaka-aineiden käyttö ja alhaiset erätuotantokustannukset, on tullut ihanteellinen titaanin ja titaaniseoksen prosessointiprosessi [1-4].

Metallijauheruiskuvaluprosessi sisältää yleensä useita perusprosesseja, kuten ruiskumateriaalin valmistuksen, ruiskuvalun, sidosten irrottamisen, sintrauksen ja tarvittavan jälkikäsittelyn.

Kuten kuviossa 1 esitetään, metallijauheen ja orgaanisen sideaineen komponentit sekoitetaan ensin, sekoitetaan ja rakeistetaan ruiskumateriaalin valmistamiseksi. Sitten ruiskumateriaali ruiskutetaan muottiin tietyssä lämpötilassa ja paineessa, jäähdytetään ja puretaan muotista tietyn muotoisen vihreän tuotteen saamiseksi. Sitten sidosten purkamisprosessin kautta kaikki orgaaniset komponentit metallijauhetta lukuun ottamatta poistetaan vihreästä tuotteesta, jolloin muodostuu sidosta purkautuva vihreä tuote. Lopuksi suoritetaan sintraus tuotteen halutun suorituskyvyn saavuttamiseksi.

Metallijauheruiskuvalutekniikka on saavuttanut orgaanisen yhdistelmän ruiskuvalua ja perinteistä jauhemetallurgista tekniikkaa, voittamalla korkeiden koneistuskustannusten haitat, perinteisen muovausprosessin yksinkertaisen muodon, isostaattisen puristuksen ja ruiskuvaluprosessin alhaisen tuotantotehokkuuden, monia perinteisten vikojen valuprosessi ja alhainen toleranssitarkkuus. Se on edistänyt suuresti titaanin ja titaaniseostuotteiden tuotantoa ja käyttöä (kuten kuvassa 2).

1 MIM:n valmistaman titaanin ja titaaniseosten vuokaavio

 

2 MIM:n valmistaman titaanin ja titaaniseosten sovellukset

 

Titaanin ja titaaniseosmetallijauheruiskupuristuksen tutkimusasema

Tutkimus on osoittanut, että titaanista ja titaaniseoksesta valmistettujen ruiskupuristettujen tuotteiden mekaanisiin ominaisuuksiin, korroosionkestävyyteen ja biolääketieteellisiin ominaisuuksiin vaikuttavat suuresti neljä näkökohtaa: suhteellinen tiheys, epäpuhtauspitoisuus, seosalkuaineet ja mikrorakenne.

Kun ruiskupuristustuote on sintrattu, sen suhteellinen tiheys on noin 95 prosenttia, ja jäljelle jää tietty osuus huokosista.

Näistä jäännöshuokosista tulee halkeamien lähde, kun näyte rikkoutuu, ja niillä on suurempi vaikutus materiaalin vetolujuuteen, sitkeyteen, murtolujuuteen, väsymislujuuteen ja muihin mekaanisiin ominaisuuksiin. Siksi mitä suurempi titaanin ja titaaniseoksesta valmistettujen ruiskupuristettujen tuotteiden suhteellinen tiheys on, sitä paremmat ovat niiden mekaaniset ominaisuudet.

Epäpuhtaudet, kuten happi, hiili, typpi, vety jne., erityisesti happi, voivat lisätä materiaalien myötölujuutta, vetolujuutta ja kovuutta, mikä vähentää sitkeyttä. Sintrauslämpötilassa epäpuhtaudet liukenevat matriisititaaniin. Tehokkaiden pelkistysaineiden puutteen vuoksi titaanin ja titaaniseosten epäpuhtauselementtejä on vaikea hallita sintrausprosessin aikana. Tämä edellyttää raaka-aineisiin lisätyn hapen määrän minimoimista ja jokaista seuraavaa prosessivaihetta.

Titaanin ja titaaniseosten mikrorakenne, mukaan lukien raekoko ja faasikoostumus sintrauksen jälkeen, voivat vaikuttaa materiaalin mekaanisiin ominaisuuksiin. Kaiken kaikkiaan ruiskupuristetuilla titaani- ja titaaniseosmateriaaleilla, joilla on erinomainen suorituskyky, on korkea tiheys, alhainen epäpuhtauspitoisuus (yleensä happipitoisuus), sopiva seoskoostumus, hieno raekoko tiivistymisen aikana ja vähemmän vikoja [5].

1.1 Jauheraaka-aineet

Jauheraaka-aineiden valinta on tärkeä vaihe titaanijauheen ruiskuvaluprosessissa. Jauheen hiukkaskokojakauma ja morfologia vaikuttavat suoraan ruiskuvalumassan juoksevuuteen ja muovattavuuteen, raakakappaleen muodon säilymiseen sidosten irrotusprosessin aikana ja kutistumisnopeuteen sintrausprosessin aikana.

Yleisesti käytettyjä menetelmiä titaanin ja titaaniseosjauheiden valmistamiseksi ovat mekaaninen menetelmä ja sumutusmenetelmä.

Mekaanisilla menetelmillä, kuten kuulajauhatuksella, sekoituskuulajauhatuksella, suurienergisellä tärinäkuulajauhatuksella ja ilmavirtajauhatuksella saadun jauheen muoto on yleensä epäsäännöllinen tai kulmikas.

Hydrausdehydrogenointi (HDH) -prosessi hyödyntää titaanin ilmeisiä haurastumisominaisuuksia vedyn absorption jälkeen. Se murskataan mekaanisella jauhamalla tai ilmavirtamurskaamalla ja dehydrataan sitten epäsäännöllisen muotoisen titaanijauheen saamiseksi, kuten kuvassa 3 (a) esitetään. Sumutusmenetelmä (kuten inerttikaasusumutus, plasmasäteen pyörivän elektrodin sumutus ja elektrodin induktiosulatuskaasun sumutus) voidaan suorittaa täysin inertissä ilmakehässä, jotta raakajauheen korkea puhtaus säilyy. Valmistettu jauhe on muodoltaan pallomainen ja sillä on melko laaja hiukkaskokojakauma ja hyvä pinoamiskyky, kuten kuvassa 3 (b) esitetään.

Lisäksi, toisin kuin teräsjauheen tuotantoteknologiassa, hienomman titaanijauheen valmistus on vaikeampaa. Partikkelikoon pienentyessä ominaispinta-ala kasvaa ja myös epäpuhtausalkuaineiden pitoisuus kasvaa.

Tyypillisesti MIM käyttää titaanijauhetta, jonka hiukkaskoko on alle 45 μm. Kun jauhehiukkaset ovat liian suuria, ruiskutusprosessi on altis jauheen sideaineen erottumiselle ja vikojen muodostumiselle. On tarpeen harkita täysin ruiskumateriaalin koostumuksen ja muotin suunnittelua [5].

Kuva 3 HDH (a) ja kaasusumutettu (b) titaanijauhe, jota käytetään MIM:ssä

1.2 Liima

Sideaine on kantoaine, joka esiintyy vaiheittain koko ruiskuvaluprosessin ajan ja sen päätehtävänä on täyttää muotti tasaisesti nestemäisessä tilassa olevalla jauheella muodostaen halutun muodon ja ylläpitää sitä esisintrausvaiheeseen asti.

Ruiskuvaluprosessissa sideaineella tulee olla seuraavat ominaisuudet: alhainen sulamispiste, hyvä kostuvuus jauhehiukkasiksi ja nopea jähmettyminen, mikä on kätevää ruiskumateriaalien valmistukseen; Sillä on hyvä juoksevuus ruiskutuslämpötilassa; Muotoilun jälkeen se voidaan helposti poistaa aihiosta, ja siinä on vähemmän jäännösmateriaalia ja myrkyttömiä ja syövyttäviä hajoamistuotteita.

Yleisesti ottaen sideainekomponentit sisältävät ainakin pääkomponentin ja sivukomponentit:

Pääkomponenttia käytetään metallijauhehiukkasten kastelemiseen ja tarvittavan juoksevuuden aikaansaamiseen, kun taas toissijainen komponentti varmistaa, että ruiskuvihreällä kappaleella on edelleen riittävä lujuus ruiskutusprosessin aikana ja sideaineen pääkomponentin poistamisen jälkeen.

Useimmissa tapauksissa sideainejärjestelmässä on kolmas komponentti, kuten pinta-aktiiviset aineet metallijauheiden ja polymeerien yhteensopivuuden parantamiseksi.

Sideainekomponenttien eri pääkomponenttien mukaan yleisesti käytetyt sideainejärjestelmät voidaan jakaa vahapohjaisiin järjestelmiin, aromaattisiin yhdisteisiin perustuviin järjestelmiin, polyoksimetyleenijärjestelmiin ja vesipohjaisiin järjestelmiin.

1.2.1 Vahapohjainen sideaine

Yleisesti käytettyjä vahoja vahapohjaisissa systeemisideaineissa ovat useat lyhytketjuiset polymeerit, kuten parafiini, mehiläisvaha, palmuvaha jne. Niillä on alhainen sulamispiste, hyvä kostuvuus, lyhyet molekyyliketjut, alhainen viskositeetti ja pienemmät tilavuuden muutokset hajoamisen aikana muihin verrattuna. polymeerejä, mikä takaa tuotteen mittatarkkuuden.

Vahapohjaisten järjestelmien yleisesti käytettyjä toissijaisia ​​komponentteja ovat polypropeeni, polyeteeni, eteenivinyyliasetaattikopolymeeri ja korkean molekyylipainon omaava polymetyylimetakrylaatti. Vahan ja luuston sideaineiden lisäksi lisätään yleensä pinta-aktiivista ainetta, kuten steariinihappoa, parantamaan jauheen ja polymeerin yhteensopivuutta.

Varhaisin kirjallisuudessa raportoitu vahapohjainen sideainejärjestelmä oli Kaneko et al. [6], jossa käytettiin parafiinipolybutyylimetakrylaattietyleenivinyyliasetaattikopolymeeridibutyyliftalaattia sideaineena ja titaanijauhetta huomautuksen ruiskutusmateriaalin valmistukseen. Jauhekuormitus oli 56 prosenttia ja sidosten purkamisen jälkeen se sintrattiin 1300 °C:ssa ja 1,3 Pa:ssa. Saadun sintratun näytteen suhteellinen tiheys oli 94 prosenttia ja puristuslujuus 1000 MPa, mutta korkean epäpuhtauspitoisuuden vuoksi se ei ollut juuri lainkaan taipuisuutta.

Kato et ai. [7] tutki kaksivaiheista sidosten purkamisprosessia, jossa yhdistettiin tyhjiö- ja argonatmosfäärisidoksen purkaminen, mikä vähensi merkittävästi sintrattujen osien hiili- ja happipitoisuutta.

Guo et ai. [8-9] käytti polyetyleeniglykolia, jonka kostuvuus oli parempi korvaamaan osan parafiinista ja kehitti parafiinipolyeteenipolyeteenipolypropeenisteariinihapposideainejärjestelmän, jota käytettiin puhtaan titaanin ja titaanialumiini-vanadiiniseosten ruiskuvalussa. Sintratuilla osilla oli hyvä muotosäilytys ja pieni tuumainen aaltoliike. Happi- ja hiilipitoisuuden vähenemisen ansiosta suorituskyky parani huomattavasti, mikä johti hyvään suorituskykyyn.

Lisäksi tutkijat ovat käyttäneet palmuvahaa parafiinivahan [10-13] osittaisena korvikkeena ja palmuöljyä parafiinivahan täydellisenä korvikkeena [14] vahapohjaisessa sideainejärjestelmässä, jolla on hyvät muodostavat vaikutukset. Itse palmuvahan sisältämän happielementin ansiosta se on kuitenkin myös hapen lisäyksen lähde,

Tällä hetkellä optimaalista vahapohjaista sideainejärjestelmää, jota on raportoitu kirjallisuudessa, ehdottivat Friederici et ai. [15]. Kokeiluprosessin aikana muodostettiin neljä sideainesuhdetta säätämällä parafiinin, pientiheyspolyeteenin ja steariinihapon suhteita, ja näiden suhteiden perusteella muodostettiin, purettiin ja sintrattiin erilaisia ​​injektiomateriaaleja. Saatiin näyte, jonka suhteellinen tiheys oli 98,1 prosenttia ja jonka kemiallinen koostumus täyttää toissijaisen puhtaan titaanin vaatimukset.

Vahapohjaisilla sideainejärjestelmillä on tärkeä rooli ruiskuvalussa, mutta orgaanisia liuottimia käyttävän liuotinpoiston alhaisen tehokkuuden vuoksi tutkijat ovat jatkuvasti innovoineet ja kehittäneet uusia sideainejärjestelmiä.

1.2.2 Aromaattiset yhdistepohjaiset sideaineet

Aromaattiset yhdisteet (kuten naftaleeni, antraseeni jne.) voivat liueta hyvin matalissa lämpötiloissa, ja matalapaineolosuhteissa ne voivat muuttua suoraan kiinteästä kaasuksi sublimaatiolla niiden sulamispisteen alapuolella olevissa lämpötiloissa. Aromaattisten yhdisteiden käyttö sideainekomponentteina voi parantaa merkittävästi sidosten purkamisprosessin tehokkuutta.

Weil et ai. [16-18] käytti aromaattisia yhdisteitä titaanimetallijauheen ruiskuvalussa. Sen tutkimuksessa valmistettiin tiheitä titaanialumiini-vanadiiniseoksia ja huokoisia titaanialumiini-vanadiiniseoksia käyttämällä sideaineina naftaleenia, 1-prosenttista steariinihappoa ja 3-12-prosenttista eteeni-asetaatti-eteenikopolymeeriä.

Kokeen aikana naftaleenin suorasta sublimoitumisesta kaasuksi ei muodostunut nestefaasia irrotusprosessin aikana, eikä näytetilavuus muuttunut. Toisin kuin liuotinrasvanpoistossa, sublimointimenetelmän pintaenergia on suhteellisen alhainen, mikä tarkoittaa, että tavalliset rasvanpoistovirheet, kuten muodonmuutos ja halkeilu, voidaan välttää. Sintratun näytteen suhteellinen tiheys oli lopulta 96,6 prosenttia, eikä hiilipitoisuus noussut.

Vaikka liimajärjestelmä on saavuttanut erinomaisen tuotteen suorituskyvyn, järjestelmän aromaattiset yhdisteet vaikuttavat edelleen ympäristöön ja fyysiseen terveyteen, eikä niitä ole tutkittu tai käytetty laajassa mittakaavassa.

1.2.3 Polyoksimetyleenipohjainen sideaine

Celanese Corp käytti polyformaldehydiä sideainejärjestelmässä ensimmäisen kerran vuonna 1984, ja myöhemmin BASF kehitti sen, mikä mahdollisti sen, että sideainekomponentit eivät sisällä vahaa tai pienimolekyylipainoisia komponentteja [19].

Polyformaldehydi on tämän sideainejärjestelmän pääkomponentti, ja polyeteeniä (PE) lisätään vähitellen luurankosideaineena myöhemmän kehitysprosessin aikana.

Tällä hetkellä BASF on muodostanut tähän sideainejärjestelmään perustuvia ruiskuvalumateriaaleja, jotka kattavat monia materiaaleja, kuten niukkaseosteisen teräksen, ruostumattoman teräksen, työkaluteräksen, titaanin ja titaaniseokset sekä keramiikan.

Polyformaldehydin merkittävä ominaisuus on sen herkkyys happamille reagensseille ja herkkyys happamalle hajoamiselle. Siksi viherkappaletta voidaan käsitellä happamassa ilmakehässä sen pehmenemislämpötilan alapuolella. Polyoksimetyleeniprosessi on kiinteässä tilassa välttäen vikoja, kuten halkeamia ja sideainekomponenttien kiehumisen aiheuttamia laajenemista. Lisäksi muodonmuutos on pieni, muodon säilyvyys on hyvä ja koon säätö on tarkka.

Lisäksi korkeasta diffuusionopeudesta johtuen muihin rasvanpoistomenetelmiin verrattuna rasvanpoistonopeus on suurempi, saavuttaen 10 kertaa perinteisen liuotinpoiston nopeuden, samalla kun se sallii paksumman koon poistamisen [20].

Vaikka polyoksimetyleenipohjaisella sideainejärjestelmällä on monia edellä mainittuja etuja, sillä on myös monia haittoja.

Katalyyttisessä sidosten purkamisprosessissa käytetään usein katalyyttinä erittäin syövyttävää typpihappohöyryä. Toisaalta polyformaldehydi voi hajota ruiskumateriaalien valmistuksen ja ruiskuvaluvaiheiden aikana, jolloin muodostuu erittäin myrkyllistä formaldehydiä. Lisäksi hajoamistuotteet on poistettava kaksivaiheisella poltolla. Toisaalta katalyyttisesti toimivalla happamalla ilmakehällä on suurempi syövyttävyys laitteisiin, mikä vaatii enemmän investointeja.

1.2.4 Vesipohjainen sideaine

Edellä mainituissa useissa sideainesysteemeissä käytetyt sidosliuottimet (kuten heptaani ja heksaani) tai sideainekomponenttien hajoamistuotteet (aromaattiset yhdistemonomeerit ja formaldehydi) ovat enemmän tai vähemmän haitallisia ympäristölle ja käyttäjille. Siksi ympäristöystävällisten liuotinsideainejärjestelmien kehittäminen ja hyödyntäminen on erittäin tärkeää.

Olemassa oleva ympäristöystävällinen sideainejärjestelmä käyttää sidosten irrotusliuottimena vettä.

Veden eri roolien mukaan injektiomateriaalien valmistuksessa tällainen sideainejärjestelmä voidaan jakaa geelipohjaiseen ja ei-geelipohjaiseen.

Yleinen polymeeri, jota käytetään ei-geelipohjaisissa järjestelmissä, on polyetyleeniglykoli, jolla on hyvä suorituskyky ja joka on halpa ja helppo saada. Pienen molekyylipainon omaava polyetyleeniglykoli voidaan poistaa nopeasti ja lähes kokonaan 60 °C:ssa, ja yleisesti käytetty molekyylipainoalue on noin 500-2000. Yleisesti käytetty luuston sideaine on polymetyylimetakrylaatti, jonka molekyylipaino on 10 000.

Sidambe et ai. [21] käytti polyetyleeniglykolipolymetyylimetakrylaattisteariinihapon vesiliukoista sideainekomponenttia tutkiakseen 69 prosentin jauhelatausnopeudella.

Kokeessa polyetyleeniglykoli poistettiin kokonaan vedessä 55 °C:ssa 5 tunnin kuluttua, ja polymetyylimetakrylaatti poistettiin kokonaan kuumassa sidosta poistavassa argonkaasuvirrassa 44 0 °C:ssa. Lopullinen happipitoisuus (massaosa) valmistetun näytteen osuus on 0,2 prosenttia, vastaava vetolujuus 850-880 MPa ja venymä 8,5 prosenttia -16 prosenttia, mikä täyttää ASTM-luokan 5 Ti standardin.

Useimmat geelipohjaiset sideaineet ovat luonnollisia aineita, kuten selluloosa, tärkkelysagar jne.

Tokura et ai. [22] käytti agaria korvaamaan polymeerisideaineita titaanijauheruiskuvalussa ja tutki tämän sideainejärjestelmän lämpöstabiilisuutta, liukoisuutta ja ruiskutusmateriaalin viskositeettia.

Suzuki [24] et ai. valmistettiin 97,3 prosentin näytteet suhteellisella tiheydellä käyttämällä agar-sideainetta (molekyylipaino 82 500), joka sisälsi 4 prosentin massafraktiota. Näytteiden hiili- ja happimassaosuudet ovat vastaavasti 0,33 prosenttia ja 0,3 prosenttia . Myötölujuus on 539 MPa ja venymä noin 10 prosenttia. Kokeelliset tulokset osoittavat, että korkeamolekyylipainoista agaria käytettäessä geelin vahvuus kasvaa, mutta jäännöshiili- ja happipitoisuus on korkea, mikä johtaa alhaisempaan sintraustiheyteen, vetolujuuteen ja sintrattujen kappaleiden venymiseen.

Ei-geelipohjaista vesipohjaista sideainetta on helppo hallita, rasvanpoistolaitteisto on muita rasvanpoistomenetelmiä halvempi ja sideaine on biohajoava ja myrkytön mikro-organismeille, mutta jäteveden käsittely rasvanpoistoa varten vaatii lisäkustannuksia.

Geelipohjaisen sideainejärjestelmän ruiskuvaluseoksella valmistettujen lopullisten osien kokoa on vaikea kontrolloida, eikä koostumus ole riittävän stabiili, joten prosessiolosuhteet ja laadunvalvonta ovat vaikeita ja lisätutkimusta ja optimointia tarvitaan vielä.

1.3 Ruiskupuristus, sidosten irrotus ja sintraus

Ruiskuvaluprosessin parametrit määräytyvät ruiskumateriaalin suorituskyvyn ja kohdetuotteen geometrisen muodon mukaan.

Kuten aiemmin mainittiin, titaanijauheen hiukkaskoko on yleensä karkea, mikä on altis jauheen sideaineen erottumiselle verrattuna ruostumattoman teräksen materiaalin ruiskuvalamiseen. Ennen ruiskupuristusta tulee kehittää sopivat muovausprosessiparametrit ruiskumateriaalin reologisten ominaisuuksien perusteella, jotta muodostuneen aihion vikoja voidaan vähentää.

Wang et ai. [25] valmistivat ruiskupuristusmateriaaleja käyttäen Ti-6Al-4V-seosta yhdistettynä jauhevahapohjaiseen sideainejärjestelmään, ja testasivat ja analysoivat ruiskutusmateriaalien reologisia ominaisuuksia erilaisissa jauheen täyttömäärissä ja lämpötiloissa, tarjoaa perustan sopivien muovausparametrien kehittämiselle ruiskuvaluprosessia varten.

Park et ai. valmisti injektiomateriaaleja käyttäen aerosolisoitua titaanijauhetta, HDH-titaanijauhetta ja pallomaista HDH-titaanijauhetta ja mittasi niiden reologiset ominaisuudet ja sidosten irtoamiskäyttäytymisen. He ehdottivat ruiskumateriaalille muovattavuusindeksiä ja arvioivat sen suorituskykyä sen perusteella. Analyysitulokset antoivat teoreettisen perustan HDH-jauheen ja aerosolisoidun jauheen samanaikaiselle käytölle injektiomateriaalijärjestelmässä.

Barriere et ai. [27] selvitti kokeellisten ja numeeristen simulointiprosessien perusteella optimaalisia prosessiparametreja virheettömien ja vaadituilla mekaanisilla ominaisuuksilla varustettujen metalliruiskuvalettujen osien valmistamiseksi. Mallinnustekniikoihin perustuen kaksivaiheista virtausyhtälöä ja äskettäin kehitettyä eksplisiittistä algoritmia käytettiin ennustamaan materiaalin erotteluilmiöitä ruiskutusprosessin aikana numeerista simulaatiota käyttäen.

Chen et ai. [28] käytti hydrattua dehydrattua Ti-6Al-4V esiseosjauhetta ja vesiliukoista sideainejärjestelmää huomautusinjektiomateriaalin valmistukseen ja mittasi sitten vesiliukoisen sideainekomponentin polyetyleeniglykolin poistumisnopeuden. eripaksuisissa näytteissä eri lämpötiloissa. Diffuusioohjattu sidosten irtoamisen matemaattinen malli luotiin sideainejärjestelmän irrotusmekanismin määrittämiseksi.

Sidambe [29] ja muut käyttivät Taguchin menetelmiä määrittääkseen optimaalisen sintrauslämpötilan, ajan, kuumennusnopeuden, ilmakehän ja muiden parametrien yhdistelmän.

Eikä et ai. [30] valmisti Ti – 6Al – 4V injektiomateriaalia käyttäen palmustearaatti- ja polyeteenisideainejärjestelmää ja muotoili optimaalisen tuotantoprosessin Taguchi-menetelmillä. Lopuksi saatiin näyte, jonka myötöraja oli 934,4 MPa ja venymä 10 prosenttia, ja sen kokonaissuorituskyky täytti lääketieteellisen titaaniseoksen ASTM B348-02 vaatimukset.

Obasi et ai. [31] valmisti Ti-6Al-4V-näytteitä, joiden ominaisuudet täyttivät ASTM B348-02 -titaaniseoslaadun 23 vaatimukset, ja tutki perusprosessiparametrijärjestelmien muutosten vaikutuksia lämpöenergiaan. Ti-6Al-4V-jauheen MIM-komponenttien rasvanpoisto- ja sintrausprosessit.

Limberg et ai. [32] valmisti Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C ruiskuvaluprosessin aikana alkuainejauheiden seosta ja tutki sintrausajan vaikutuksia. ja ilmakehän vetoominaisuuksien ja mikrorakenteen suhteen. Saatiin näyte, jonka vetolujuus oli noin 630 MPa.

Guo et ai. [8-9] valmisti puhdasta titaania ja Ti-6Al-4V-materiaaleja ruiskuvalutekniikalla ja tutki lämpökäsittelyprosessien, kuten kuumaisostaattisen puristuksen ja hehkutuksen, vaikutusta metallin ominaisuuksiin. seosmateriaalia. Lämpökäsittelyvaikutusta karakterisoitiin kvalitatiivisesti ja kvantitatiivisesti mikrorakenne- ja mekaanisten ominaisuuksien testauksen avulla ja sen mikrorakenne on esitetty kuvassa 4.

Remark-injektiomateriaali valmistetaan sekoittamalla sumutettua titaanijauhetta, hydrattua dehydrattua titaanijauhetta ja vahapohjaista sideainejärjestelmää. Ruiskupuristuksen jälkeen liuotinpoisto suoritetaan heptaanin ja etanolin seoksessa. Sideaine poistetaan kokonaan kuumennuksen jälkeen 350, 420 ja 600 asteeseen tietyllä kuumennusnopeudella, ja sintrauslämpötila on 1230 astetta 3 tunnin ajan. Lopuksi sintratun näytteen vetoominaisuudet olivat 389-419 MPa ja venymä oli 2-4 prosenttia.

Tutkimusryhmämme [33] jäsenet valmistivat puhdasta titaaninäytteitä käyttämällä aerosolisoitua titaanijauhetta ja vesiliukoista sideainetta sekä tutkivat sintrauslämpötilan ja pitoajan vaikutuksia puhtaan titaaninäytteiden ominaisuuksiin. Sintrausprosessi suoritettiin tyhjiöasteella 10-4-10-3 Pa, sintrauslämpötilalla 1350 °C ja 20,3 prosentin venymällä, joka saatiin 3 tunnin pitoajan jälkeen. Näytteet noudattavat täysin ASTM F2989-13 -standardin parasta jauhemetallurgista suorituskykyä, suhteellinen tiheys 96,9 prosenttia ja vetolujuus 443 MPa, biolääketieteen luokan II puhdas titaanistandardi.

4 Ti (a)- ja Ti-6Al-4V (b) -näytteiden mikrorakenteita, jotka on valmistettu vahapohjaisista raaka-aineista

2 uutta titaanista ja titaaniseoksesta valmistettua ruiskuvalumateriaalia

Titaania ja titaaniseoksia käytetään tällä hetkellä laajalti ortopediassa, hammaslääketieteellisissä laitteissa ja lääketieteellisissä implanteissa. Titaanin ja ihmisen luun mekaanisten ominaisuuksien eroista johtuen (kimmokerroin noin 20 GPa), luun ja implantin rajapinnassa syntyy jännityssuojavaikutuksia, jotka voivat vaarantaa pitkällä aikavälillä kliiniset tulokset, kuten Kuva 5.

Siksi tutkijat ovat säätäneet titaanimateriaalien mekaanisia ominaisuuksia muuttamalla niiden rakennetta ja seoskoostumusta, mikä tekee niistä lähempänä ihmiskehon luonnollisten luiden rakennetta ja suorituskykyä.

5 Biolääketieteellisten titaaniseosten kimmomoduulin vertailu

2.1 Huokoiset titaanimateriaalit ja titaanikeraamiset komposiitit

Huokoisilla titaanimateriaaleilla ja uusilla titaaniseosjärjestelmämateriaaleilla on asianmukainen huokosrakenne ja mekaaniset ominaisuudet, mikä tekee niistä ihanteellisia materiaaleja ortopedisiin korvaaviin implantteihin.

Toisaalta se voi tehokkaasti vähentää implantin ja luukudoksen välistä jännityseroa, mikä vähentää stressiä suojaavaa vaikutusta ja saavuttaa implantin pitkäaikaisen ja tehokkaan toiminnan; Toisaalta huokoinen rakenne on välttämätön edellytys luusolujen kasvamiselle implanttirungolle, ja toisiinsa yhteydessä oleva huokoinen rakenne voi päästää läpi suuren määrän kehon nestettä edistäen entisestään luusolujen kasvua.

Gu et ai. muodosti uudentyyppisen TC4-lejeeringin, jolla on avoin huokosrakenne lisäämällä TiH2:ta vaahdotusaineena ja aktivaattorina titaanialumiini-vanadiinielementtijauheeseen, jonka huokoskokojakauma on tasainen ja huokoskoko vaihtelee välillä 90-190 μm. Huokoisuus on noin 43 % ~ 59 % ja kimmomoduuli vaihtelee välillä 5,8 - 9,5 GPa. Engine et ai. [35] valmisti monimikrohuokoisia titaaniseoksia käyttäen jauheruiskuvalutekniikkaa (PIM) yhdistettynä huokosten muodostavaan teknologiaan ja tutki huokosia muodostavan aineen polymetyylimetakrylaatin määrän vaikutusta lejeeringin tiheyteen, puristuslujuuteen ja kimmokerrokseen.

Tuncer et ai. [36] käytti sumutetun pallomaisen jauheen, HDH-titaanijauheen ja vahapohjaisen sideaineen järjestelmää tutkiakseen alkuperäisen jauheen vaikutusta lopullisen huokoisen titaanituotteen suorituskykyyn lisäämällä tietty määrä NaCl:a ja KCl:a huokosia muodostavina aineina. Lisäksi huokosia muodostavien aineiden määrää säätämällä saatiin huokoinen titaanimateriaali, jolla oli vaadittu huokoisuus ja huokoskoko lääketieteellisiä implantteja varten, ja materiaalin kemiallinen koostumus saattoi täyttää kolmannen asteen puhtaan titaanin standardin.

Chen et ai. [37] käytti NaCl:a huokosten muodostavana aineena ja hydrattua dehydrattua titaanijauhevahapohjaista injektiomateriaalia ruiskupuristettujen näytteiden valmistukseen. Saatujen näytteiden huokoisuus oli 42,4 % ~ 71,6 % ja huokoskoko 300 µm. Kuten kuvasta 6. Säätämällä käytetyn NaCl:n määrää voidaan injektioosan sisään muodostua toisiinsa yhteydessä olevia huokosia, joiden mekaaniset ominaisuudet ovat samanlaiset kuin hohkoluun.

Barbosa et ai. [38] käytti ensin Fe22Cr-jauhetta injektiomateriaalien reologisten ominaisuuksien testaamiseen erilaisilla sideainejärjestelmillä. Suorituskykytestin tulosten perusteella valittiin sopiva vahapohjainen sideainejärjestelmä. Sitten Ti-jauhe ja huokosia muodostava aine NaCl yhdistettiin lämminpuristusta ja monikomponenttiruiskupuristusta varten. Rasvanpoiston ja sintrauksen jälkeen valmistettiin selkärangan implanttikomponentti, jossa oli tiheä ydin ja ulkoinen huokoisuusgradientti.

6 Huokoinen titaani ruiskupuristuskomponentti, jossa NaCl tilan pidikkeenä

Hydroksiapatiitilla (HA), jolla on sama kemiallinen koostumus ja kiderakenne kuin ihmisen luonnollisella luukudoksella, on ainutlaatuisia etuja luun korvaamisessa ja luun rekonstruktiossa, ja sillä on alkanut olla yhä tärkeämpi rooli biolääketieteellisissä laitteissa.

Korkean haurauden ja huonojen mekaanisten ominaisuuksiensa vuoksi HA:ta ei kuitenkaan voida käyttää yksinään kantavana komponenttina, mikä johtaa uudentyyppisen biolääketieteellisen materiaalin syntymiseen, joka koostuu HA:sta ja titaanimateriaalista.

Thian et ai. [39-42] tutki Ti6Al4V/HA-komposiittimateriaalien valmistusta ruiskuvalumenetelmällä. Ensinnäkin Ti6Al4V/HA-komposiittijauhe valmistettiin käyttämällä keraamista lietemenetelmää. Sitten valmistettu jauhe sekoitettiin kaupalliseen sideaineeseen PAN-250S huomautuksen ruiskutusmateriaalin valmistamiseksi. Injektiomateriaalin reologiset ominaisuudet testattiin ja kuumennusnopeuden ja irtoamiskaasun virtausnopeuden vaikutuksia sidosten purkamisvirheisiin, sideaineen poistomäärään ja jäännöshiilipitoisuuteen irrotusprosessin aikana; Sintrausprosessin parametrien (kuumennusnopeus, sintrauslämpötila, pitoaika, jäähdytysnopeus jne.) vaikutus lopullisen näytteen suorituskykyyn, mikä johtaa noin 50 prosentin näytteen huokoisuuteen; Lisäksi valmistetun Ti6Al4V/HA-materiaalin biologista hajoamisprosessia kehon nesteympäristössä analysoitiin ja karakterisoitiin mekaanisten ominaisuuksien testitulosten avulla.

2.2 Uudet titaaniseosmateriaalit

Biolääketieteellinen ala tärkeänä titaanimateriaalien sovelluksen haarana, sen käyttötarpeen suunta vaikuttaa suoraan titaanimateriaalien kehitystrendiin.

Varhaiset titaanimateriaaleissa käytettiin puhdasta titaania (pääasiassa faaseista koostuva, mutta puhtaalla titaanimateriaalilla on heikompi lujuus ja huono kulutuskestävyys, mikä johti erittäin lujien ja sitkeiden materiaalien kehittämiseen, joita edustavat Ti6Al4V, Ti6Al7Nb ja Ti5Al2.5Fe sekä tyypin A seos .

Aust et ai. [43] valmisti menestyksekkäästi erinomaisia ​​luuruuvimateriaaleja käyttämällä Ti6Al7Nb-jauhetta ja vahapohjaista sideainejärjestelmää (parafiini plus PE ja steariinihappo), kuten kuvassa 7. Materiaalin suhteellinen tiheys on 97,6 prosenttia ja vetolujuus 815 MPa , myötöraja 714 MPa ja venymä 8,7 prosenttia .

Tutkimustulokset ovat osoittaneet, että laajalti käytetyissä titaanialumiini-vanadiiniseoksissa ja titaanialumiini-niobiumseoksissa olevat seosalkuaineet, kuten Al ja V, vapauttavat sytotoksisia Al- ja V-ioneja implanttien saapumisen jälkeen ihmiskehoon, mikä aiheuttaa vahinkoa ihmiskeholle.

Tämän seurauksena tutkijat suorittivat sarjan uuden sukupolven kokeita, jotka sisältävät bioturvallisuuselementtejä, kuten Nb, Ta, Zr, Mo, Sn, mutta eivät Al- ja V-elementtejä. Titaaniseosjärjestelmien kehittäminen.

Tällä hetkellä kehitettyjä ja tutkittuja biologisia titaaniseoksia ovat pääasiassa Ti-15Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-35Nb-7Zr-5Ta , Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr ja Ti{{15} }Nb-13Ta-4.6Zr [44]. Erilaisten rajoitusten, kuten jauheen valmistustekniikan, vuoksi näitä seosjärjestelmiä ei käytetä laajasti jauheen ruiskuvaluprosesseissa.

Zhao et ai. [45] käytti titaanijauhetta ja niobiumjauhetta ruiskuvalukokeissa valmistaakseen onnistuneesti TiNb-kaksifaasiseoksia, joiden suhteellinen tiheys oli noin 95 prosenttia. Testaamalla viheraihioiden, irrotettavien osien ja sintrattujen osien mekaanisia ominaisuuksia sekä tarkkailemalla ja vertaamalla eri metalliseoskoostumuspitoisuuksilla olevien sintrattujen osien mikrorakennetta tutkittiin Nb-pitoisuuden vaikutusta seoksen mikrorakenteeseen ja mekaanisiin ominaisuuksiin.

Arokiasamy et ai. [46] valmisti Ti-5Fe-5Zr-seoksen lisäämällä Fe- ja Zr-elementtejä HDH-puhtaan titaanijauheeseen ja mittasi lejeeringin mekaaniset ominaisuudet. Testitulosten perusteella saatiin selville jäännöshuokosten mekanismi ja TiC:n vaikutus seosmateriaalin ominaisuuksiin.

 

Kuva 7Ti6Al7Nb 骨钉Ti6Al7Nb luuruuvi, jonka on valmistanut MIM

3 näkymät

Titaanin ja titaaniseosten alhainen ominaispaino, korkea ominaislujuus, erinomainen bioyhteensopivuus, hapettumisenkestävyys ja hyvä korroosionkestävyys tarjoavat suuren kehityspotentiaalin sovelluksissa, kuten ilmailu-, lääke-, kemian-, auto- ja päivittäistavaroissa.

Verrattuna perinteisiin käsittelytekniikoihin, kuten taonta, valu ja koneistus, jauheruiskuvalutekniikalla on ilmeisiä etuja, kuten tasainen seoskoostumus, korkea raaka-aineen käyttöaste ja vahva tuotantokapasiteetti suurille määrille monimutkaisia ​​muotoiltuja osia, mikä voi edistää suuresti titaanin ja titaaniseostuotteiden tuotanto ja käyttö.

Vaikka titaanin ja titaaniseoksen ruiskupuristuksen tutkimuksessa on edistytty jonkin verran, varsinaisessa teollisessa tuotantoprosessissa on vielä ratkaistava joukko ongelmia, kuten korkealaatuisten jauheraaka-aineiden korkea hinta, riittämätön muuntaminen ja sovellus. uusista korkealaatuisista titaaniseosjärjestelmistä ruiskuvaluon ja vaikeudet valvoa tuotteen kemiallista koostumusta.

Lisäksi mikrosysteemitekniikan nopean kehityksen myötä viime vuosina mikrojärjestelmissä käytettävien mikrokompleksikomponenttien kysyntä jatkaa kasvuaan. Jauheruiskuvalun tulee siirtyä perinteisistä tuotetyypeistä mikrotuotteisiin ja kehittyä jauhemikroruiskuvaluteknologiaksi.

Tällä hetkellä mikroruiskuvalutekniikka keskittyy enimmäkseen materiaalijärjestelmiin, kuten polymeereihin ja ruostumattomaan teräkseen, ja titaanin ja titaaniseosten mikroruiskuvalussa on vielä monia asioita, joita on tutkittava.

Siksi titaanin ja titaaniseoksen ruiskupuristustutkimuksen kehittämisen tulisi keskittyä uusien titaaniseosjärjestelmien tutkimukseen ja kehittämiseen, edullisen ja laadukkaan titaaniseosjauheen valmistusteknologian kehittämiseen sekä titaanimateriaalin mikroruiskuvalututkimukseen. sopii mikromonimutkaisiin laitteisiin.

Titaanin ja titaaniseosten ruiskuvaluteknologian tutkimuksen syventyessä uskotaan, että titaanin ja titaaniseostekniikan ruiskuvalutekniikka edistyy merkittävästi, mikä edistää titaaniteollisuuden nopeaa kehitystä.