Titāna un titāna sakausējuma metālu pulvera iesmidzināšanas liešanas tehnoloģija

Titāna un titāna sakausējuma metālu pulvera iesmidzināšanas liešanas tehnoloģija

 

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. 2008. gadā ir panākusi masveida ražošanu, izmantojot nepārtrauktu pētniecību un izstrādi, inovācijas, testēšanu, titāna metāla un titāna sakausējuma metālu iesmidzināšanas liešanas procesus. Ja ir klientiem, kam tas ir nepieciešams, lūdzu, nosūtiet e-pastu: business- Mall@zw-jm.com Nododiet to mūsu uzņēmumam, un profesionāli inženieri jums atbildēs laicīgi īsākā darba dienas laikā,

Kopsavilkums

Titānam un titāna sakausējumiem ir gan zems īpatnējais svars, gan augsta īpatnējā izturība, lieliska bioloģiskā saderība un laba izturība pret koroziju, un tiem ir liels pielietojuma potenciāls tādās jomās kā kosmosa, biomedicīna, ķīmija un automobiļu rūpniecība.

Titāna un titāna sakausējuma metāla pulvera iesmidzināšanas formēšanas (MIM) tehnoloģija var sasniegt liela mēroga un zemu izmaksu maza un vidēja izmēra sarežģītas formas titāna izstrādājumu sagatavošanu, kam ir liela nozīme titāna un titāna sakausējuma izstrādājumu ražošanas un pielietošanas veicināšanā. .

Šajā rakstā ir aprakstītas titāna un titāna sakausējumu metāla pulvera iesmidzināšanas īpašības un priekšrocības. Tajā ir apkopots titāna un titāna sakausējuma metālu pulvera iesmidzināšanas formēšanas tehnoloģijas izpētes progress no pulvera izejvielu, saistvielu sistēmu, pulvera iesmidzināšanas formēšanas, atdalīšanas un saķepināšanas aspektiem. Reaģējot uz galvenajām šobrīd pastāvošajām problēmām, tiek analizēts titāna un titāna sakausējumu metāla pulvera iesmidzināšanas pētniecības virziens un attīstības perspektīvas.

Atslēgas vārdi titāns; Titāna sakausējums; Iesmidzināšanas formēšana; Pētījuma progresa klasifikācijas numurs TF125.2; TF125.2 plus 2

(Redaktora piezīme: ievads angļu valodā izlaists...)

Kopš 20. gadsimta 40. gados tika apgūta rūpnieciskās ražošanas metode metāliskā titāna iegūšanai no rūdas, titāns un titāna sakausējumi ir plaši izmantoti rūpnieciskās un komerciālās iekārtās. Tomēr, salīdzinot ar tēraudu, tā gada izlaide joprojām ir neliela, un izejvielu augsto izmaksu dēļ tā pielietojuma joma galvenokārt attiecas tikai uz jūras rūpniecību, ķīmisko rūpniecību, kosmosa rūpniecību, medicīnas ierīcēm, implantiem, luksusa precēm un citām nozarēm. ar augstām prasībām attiecībā uz materiālu veiktspēju.

Pašlaik papildus augstajām izejvielu cenām to pielietojumu ievērojami ierobežo titāna un titāna sakausējumu apstrādes un veidošanas grūtības.

Titāna un titāna sakausējumu apstrādājamība ir slikta, un tradicionālajām apstrādes metodēm ir dārgas iekārtas un zema apstrādes efektivitāte, kas ievērojami palielina to apstrādes izmaksas; Apstrādājamo titāna detaļu struktūra ir ļoti vienkārša, un apstrādes metožu ierobežojumu dēļ lielākā daļa no tām nevar sasniegt dizaina risinājumus, kas var maksimāli palielināt materiāla veiktspēju.

Šajā kontekstā metāla iesmidzināšanas formēšana (MIM), kuras priekšrocības ir augsta izejvielu izmantošana un zemas sērijveida ražošanas izmaksas, ir kļuvusi par ideālu titāna un titāna sakausējumu apstrādes procesu [1-4].

Metāla pulvera iesmidzināšanas formēšanas process parasti ietver vairākus pamatprocesus, piemēram, iesmidzināšanas materiāla sagatavošanu, iesmidzināšanu, atdalīšanu, saķepināšanu un nepieciešamo pēcapstrādi.

Kā parādīts 1. attēlā, metāla pulvera un organiskās saistvielas sastāvdaļas vispirms sajauc, sajauc un granulē, lai sagatavotu injekcijas materiālu. Pēc tam injekcijas materiāls tiek ievadīts veidnē ar noteiktu temperatūru un spiedienu, atdzesēts un demontēts, lai iegūtu zaļu produktu ar noteiktu formu. Pēc tam, izmantojot atsaistes procesu, no zaļā produkta tiek noņemti visi organiskie komponenti, izņemot metāla pulveri, veidojot atsaistes zaļo produktu. Visbeidzot, tiek veikta saķepināšana, lai iegūtu vēlamo produkta veiktspēju.

Metāla pulvera iesmidzināšanas formēšanas tehnoloģija ir panākusi organisku iesmidzināšanas un tradicionālās pulvermetalurģijas tehnoloģijas kombināciju, pārvarot trūkumus, ko rada augstās apstrādes izmaksas, tradicionālā formēšanas procesa vienkāršā forma, zema izostatiskās presēšanas un iesmidzināšanas procesa ražošanas efektivitāte, daudzi tradicionālo defekti. liešanas process un zema pielaides precizitāte. Tas ir ievērojami veicinājis titāna un titāna sakausējuma izstrādājumu ražošanu un pielietojumu (kā parādīts 2. attēlā).

1 MIM ražotā titāna un titāna sakausējumu plūsmas diagramma

 

2 MIM ražotā titāna un titāna sakausējumu pielietojumi

 

Titāna un titāna sakausējuma metālu pulvera iesmidzināšanas formēšanas izpētes statuss

Pētījumi ir parādījuši, ka titāna un titāna sakausējuma iesmidzināšanas formas izstrādājumu mehāniskās īpašības, izturību pret koroziju un biomedicīnas īpašības lielā mērā ietekmē četri aspekti: relatīvais blīvums, piemaisījumu saturs, sakausējuma elementi un mikrostruktūra.

Pēc iesmidzināšanas formēšanas produkta saķepināšanas tā relatīvais blīvums ir aptuveni 95 procenti, un tajā būs noteikta atlikušo poru daļa.

Šīs atlikušās poras kļūs par plaisu avotu, kad paraugs saplīst, un tām būs lielāka ietekme uz materiāla stiepes izturību, elastību, stingrību lūzumam, noguruma izturību un citas materiāla mehāniskās īpašības. Tāpēc, jo augstāks ir titāna un titāna sakausējuma iesmidzināšanas formas izstrādājumu relatīvais blīvums, jo labākas ir to mehāniskās īpašības.

Piemaisījumu elementi, piemēram, skābeklis, ogleklis, slāpeklis, ūdeņradis utt., īpaši skābeklis, var palielināt materiālu tecēšanas robežu, stiepes izturību un cietību, samazinot elastību. Saķepināšanas temperatūrā piemaisījumu elementi izšķīst titāna matricā. Efektīvu reducētāju trūkuma dēļ saķepināšanas procesā ir grūti kontrolēt piemaisījumu elementus titānā un titāna sakausējumos. Tas prasa līdz minimumam samazināt izejvielām pievienotā skābekļa daudzumu un katru nākamo procesa posmu.

Titāna un titāna sakausējumu mikrostruktūra, tostarp graudu izmērs un fāzes sastāvs pēc saķepināšanas, var ietekmēt materiāla mehāniskās īpašības. Kopumā iesmidzinātajiem titāna un titāna sakausējumu materiāliem ar izcilu veiktspēju ir augsts blīvums, zems piemaisījumu saturs (parasti skābekļa saturs), atbilstošs sakausējuma sastāvs, smalko graudu izmērs blīvēšanas laikā un mazāk defektu [5].

1.1 Pulvera izejvielas

Pulvera izejvielu izvēle ir svarīgs solis titāna pulvera iesmidzināšanas formēšanas procesā. Pulvera daļiņu izmēra sadalījums un morfoloģija tieši ietekmē iesmidzināšanas lējuma maisījuma plūstamību un formējamību, zaļā korpusa formas saglabāšanu atdalīšanas procesā un saraušanās ātrumu saķepināšanas procesā.

Titāna un titāna sakausējumu pulveru sagatavošanai parasti izmanto mehānisko metodi un izsmidzināšanas metodi.

Pulvera forma, kas iegūta ar mehāniskām metodēm, piemēram, lodīšu frēzēšanu, maisīšanas lodīšu frēzēšanu, augstas enerģijas vibrācijas lodīšu frēzēšanu un gaisa plūsmas pulverizēšanu, parasti ir neregulāra vai leņķiska.

Hidrogenēšanas dehidrogenēšanas (HDH) procesā tiek izmantotas acīmredzamās titāna trausluma īpašības pēc ūdeņraža absorbcijas. To sasmalcina ar mehānisku slīpēšanu vai gaisa plūsmas drupināšanu un pēc tam pakļauj dehidrogenēšanai, lai iegūtu neregulāras formas titāna pulveri, kā parādīts 3. attēlā (a). Izsmidzināšanas metodi (piemēram, inertās gāzes izsmidzināšanu, plazmas staru rotējošu elektrodu izsmidzināšanu un elektrodu indukcijas kausēšanas gāzes izsmidzināšanu) var veikt pilnīgi inertā atmosfērā, lai saglabātu neapstrādāta pulvera augstu tīrību. Sagatavotajam pulverim ir sfēriska forma un diezgan plašs daļiņu izmēra sadalījums ar labu kraušanas veiktspēju, kā parādīts 3. (b) attēlā.

Turklāt, atšķirībā no tērauda pulvera ražošanas tehnoloģijas, smalkāka titāna pulvera ražošana ir grūtāka. Daļiņu izmēram samazinoties, palielinās īpatnējais virsmas laukums, kā arī palielinās piemaisījumu elementu saturs.

Parasti MIM izmanto titāna pulveri, kura daļiņu izmērs ir mazāks par 45 μm. Ja pulvera daļiņas ir pārāk lielas, injekcijas procesā var atdalīties pulvera saistviela un veidojas defekti. Pilnībā jāapsver injekcijas materiāla sastāva un veidņu konstrukcijas projektēšana [5].

3. att. HDH (a) un gāzi izsmidzināts (b) titāna pulveris, ko izmanto MIM

1.2 Līme

Saistviela ir nesējs, kas pastāv pa posmiem visā iesmidzināšanas formēšanas procesā, un tā galvenā funkcija ir vienmērīgi piepildīt veidni ar pulveri šķidrā stāvoklī, veidojot vēlamo formu un saglabājot to līdz iepriekšējai saķepināšanas stadijai.

Inžektorliešanas procesā saistvielai jābūt ar šādām īpašībām: zema kušanas temperatūra, laba pulvera daļiņu mitrināmība un ātra sacietēšana, kas ir ērta injekcijas materiālu sagatavošanai; Iesmidzināšanas temperatūrā ir laba plūstamība; Pēc formēšanas to var viegli noņemt no sagataves, izmantojot mazāk atlikuma materiālu un netoksiskus un nekodīgus sadalīšanās produktus.

Vispārīgi runājot, saistvielas komponenti ietver vismaz galveno komponentu un sekundāros komponentus:

Galvenā sastāvdaļa tiek izmantota metāla pulvera daļiņu mitrināšanai un nepieciešamās plūstamības nodrošināšanai, savukārt sekundārā komponente nodrošina, ka injekcijas zaļajam korpusam joprojām ir pietiekama izturība injekcijas procesā un pēc saistvielas galvenās sastāvdaļas noņemšanas.

Vairumā gadījumu saistvielu sistēmai ir trešā sastāvdaļa, piemēram, virsmaktīvās vielas, lai uzlabotu metāla pulveru un polimēru savietojamību.

Saskaņā ar saistvielu komponentu dažādajām galvenajām sastāvdaļām parasti izmantotās saistvielu sistēmas var iedalīt sistēmās, kuru pamatā ir vasks, aromātisko savienojumu sistēmās, polioksimetilēna sistēmās un sistēmās uz ūdens bāzes.

1.2.1 Saistviela uz vaska bāzes

Parasti izmantotie vaski sistēmu saistvielām uz vaska bāzes ietver vairākus īsu ķēžu polimērus, piemēram, parafīnu, bišu vasku, palmu vasku utt. Tiem ir zema kušanas temperatūra, laba mitrināmība, īsas molekulārās ķēdes, zema viskozitāte un mazākas tilpuma izmaiņas sadalīšanās laikā, salīdzinot ar citiem. polimēri, kas veicina produkta izmēru precizitāti.

Parasti izmantotās vaska sistēmu sekundārās sastāvdaļas ir polipropilēns, polietilēns, etilēna vinilacetāta kopolimērs un augstas molekulmasas polimetilmetakrilāts. Papildus vaskam un skeleta saistvielām parasti tiek pievienota virsmaktīvā viela, piemēram, stearīnskābe, lai uzlabotu pulvera un polimēra savietojamību.

Literatūrā agrākā ziņotā saistvielu sistēma uz vaska bāzes bija Kaneko et al. [6], kas izmantoja parafīna polibutilmetakrilāta etilēna vinilacetāta kopolimēra dibutilftalātu kā saistvielu un titāna pulveri, lai sagatavotu piezīmes injekcijas materiālu. Pulvera slodze bija 56 procenti, un pēc atdalīšanas tas tika saķepināts 1300 ° C un 1,3 Pa temperatūrā. Iegūtā saķepinātā parauga relatīvais blīvums bija 94 procenti un spiedes stiprība 1000 MPa, bet lielā piemaisījumu satura dēļ tas nebija gandrīz nekādas elastības.

Kato et al. [7] pētīja divpakāpju atdalīšanas procesu, apvienojot vakuuma atdalīšanu un argona atmosfēras atdalīšanu, kas ievērojami samazināja oglekļa un skābekļa saturu saķepinātajās daļās.

Guo et al. [8-9] izmantoja polietilēnglikolu ar labāku mitrināmību, lai aizstātu daļu parafīna, un izstrādāja parafīna polietilēna polietilēna polipropilēna stearīnskābes saistvielu sistēmu, ko izmantoja tīra titāna un titāna alumīnija vanādija sakausējumu iesmidzināšanā. Saķepinātajām daļām bija laba formas saglabāšana un neliela collu viļņu kustība. Skābekļa un oglekļa satura samazināšanās dēļ veiktspēja tika ievērojami uzlabota, tādējādi nodrošinot labu veiktspēju.

Turklāt pētnieki ir izmantojuši palmu vasku kā daļēju parafīna vaska [10-13] aizstājēju un palmu eļļu kā pilnīgu parafīna vaska [14] aizstājēju vaska bāzes saistvielu sistēmai, kurai ir laba formēšanas iedarbība. Tomēr, pateicoties palmu vaskā esošajam skābekļa elementam, tas ir arī skābekļa pastiprināšanas avots,

Pašlaik literatūrā aprakstīto optimālo saistvielu sistēmu uz vaska bāzes ierosināja Friederici et al. [15]. Eksperimentālā procesa laikā, pielāgojot parafīna, zema blīvuma polietilēna un stearīnskābes proporcijas, tika izveidotas četras saistvielu attiecības, un, pamatojoties uz šīm attiecībām, tika veidoti, atsaistīti un saķepināti dažādi injekcijas materiāli. Tika iegūts paraugs ar relatīvo blīvumu 98,1 procenti un ķīmisko sastāvu, kas atbilst sekundārā tīra titāna prasībām.

Uz vaska bāzes veidotām saistvielu sistēmām ir svarīga loma iesmidzināšanas formēšanā, taču, ņemot vērā zemo šķīdinātāju atdalīšanas efektivitāti, izmantojot organiskos šķīdinātājus, pētnieki ir nepārtraukti ieviesuši jauninājumus un izstrādājuši jaunas saistvielu sistēmas.

1.2.2. Saistvielas uz aromātisku savienojumu bāzes

Aromātiskie savienojumi (piemēram, naftalīns, antracēns utt.) var izšķīst ļoti zemā temperatūrā, un zemā spiediena apstākļos tos var tieši pārveidot no cietas vielas par gāzi, sublimējot temperatūrā, kas ir zemāka par kušanas temperatūru. Izmantojot aromātiskos savienojumus kā saistvielas komponentus, var ievērojami uzlabot atdalīšanas procesa efektivitāti.

Weil et al. [16-18] izmantoja aromātiskos savienojumus titāna metāla pulvera iesmidzināšanas formēšanā. Pētījumā tika sagatavoti blīvi titāna alumīnija vanādija sakausējumi un poraini titāna alumīnija vanādija sakausējumi, kā saistvielu izmantojot naftalīnu, 1% stearīnskābes masas daļu un 3% līdz 12% etilēna etilēna kopolimēra masas daļu.

Eksperimenta laikā naftalīna tiešas sublimācijas dēļ gāzē, atdalīšanas procesā neparādījās šķidrā fāze, un parauga tilpums nemainījās. Atšķirībā no šķīdinātāja attaukošanas, sublimācijas metodē iesaistītā virsmas enerģija ir salīdzinoši zema, kas nozīmē, ka var izvairīties no tādiem bieži sastopamiem attaukošanas defektiem kā deformācija un plaisāšana. Galu galā saķepinātā parauga relatīvais blīvums bija 96,6 procenti, un oglekļa saturs nepalielinājās.

Lai gan līmes sistēma ir sasniegusi izcilu produkta veiktspēju, sistēmā esošie aromātiskie savienojumi joprojām ietekmē vidi un fizisko veselību, un tie nav tālāk pētīti vai izmantoti plašā mērogā.

1.2.3. Saistviela uz polioksimetilēna bāzes

Poliformaldehīdu saistvielu sistēmā pirmo reizi izmantoja Celanese Corp 1984. gadā, un vēlāk to izstrādāja BASF, tādējādi saistvielas komponenti nesatur vasku vai mazas molekulmasas komponentus [19].

Poliformaldehīds ir šīs saistvielu sistēmas galvenā sastāvdaļa, un polietilēns (PE) tiek pakāpeniski pievienots kā skeleta saistviela vēlākā izstrādes procesā.

Pašlaik BASF ir veidojis iesmidzināšanas liešanas materiālus, pamatojoties uz šo saistvielu sistēmu, kas aptver daudzus materiālus, piemēram, mazleģēto tēraudu, nerūsējošo tēraudu, instrumentu tēraudu, titānu un titāna sakausējumus un keramiku.

Nozīmīga poliformaldehīda īpašība ir tā jutība pret skābiem reaģentiem un jutīgums pret skābu sadalīšanos. Tāpēc zaļo ķermeni var apstrādāt skābā atmosfērā, kas ir zemāka par mīkstināšanas temperatūru. Polioksimetilēna process ir cietā stāvoklī, izvairoties no defektiem, piemēram, plaisām un izplešanās, ko izraisa saistvielas komponentu viršana. Turklāt deformācija ir maza, formas saglabāšana ir laba, un izmēra kontrole ir precīza.

Turklāt lielā difūzijas ātruma dēļ, salīdzinot ar citām attaukošanas metodēm, attaukošanas ātrums ir lielāks, sasniedzot 10 reizes lielāku ātrumu nekā tradicionālā šķīdinātāja atdalīšana, vienlaikus pieļaujot biezāka izmēra atdalīšanu [20].

Lai gan saistvielu sistēmai uz polioksimetilēna bāzes ir daudzas iepriekš minētās priekšrocības, tai ir arī daudz trūkumu.

Katalītiskās atdalīšanas procesā kā katalizatoru bieži izmanto ļoti kodīgus slāpekļskābes tvaikus. No vienas puses, poliformaldehīds var sadalīties injekcijas materiālu sagatavošanas un iesmidzināšanas formēšanas stadijās, radot ļoti toksisku formaldehīdu. Turklāt sadalīšanās produkti ir jānoņem, izmantojot divpakāpju sadedzināšanu. No otras puses, skābajai atmosfērai, kurai ir katalītiskā loma, ir lielāka korozijas ietekme uz aprīkojumu, kas prasa lielākus ieguldījumus.

1.2.4. Ūdens bāzes saistviela

Iepriekš minētajās vairākās saistvielu sistēmās izmantotie saistvielu atdalīšanas šķīdinātāji (piemēram, heptāns un heksāns) vai saistvielu komponentu (aromātisku savienojumu monomēru un formaldehīda) sadalīšanās produkti ir vairāk vai mazāk kaitīgi videi un operatoriem. Tāpēc videi draudzīgu šķīdinātāju saistvielu sistēmu izstrādei un izmantošanai ir liela nozīme.

Esošajā videi draudzīgajā saistvielu sistēmā kā atdalīšanas šķīdinātājs tiek izmantots ūdens.

Atkarībā no ūdens dažādajām lomām injekciju materiālu sagatavošanā, šāda veida saistvielu sistēmu var iedalīt uz gēla bāzes un bez gēla bāzes.

Kopējais polimērs, ko izmanto sistēmās, kuru pamatā nav želeja, ir polietilēnglikols, kam ir laba veiktspēja, un tas ir lēts un viegli iegūstams. Zemas molekulmasas polietilēnglikolu var ātri un gandrīz pilnībā noņemt 60 °C temperatūrā, un parasti izmantotais molekulmasas diapazons ir aptuveni 500-2000. Parasti izmantotā skeleta saistviela ir polimetilmetakrilāts ar molekulmasu 10 000.

Sidambe et al. [21] izmantoja ūdenī šķīstošu polietilēnglikola polimetilmetakrilāta stearīnskābes saistvielu, lai pētītu ar pulvera iekraušanas ātrumu 69 procenti.

Eksperimentā polietilēnglikols tika pilnībā noņemts ūdenī 55 ° C temperatūrā pēc 5 stundām, un polimetilmetakrilāts tika pilnībā noņemts karstā argona gāzes plūsmā 44 0 ° C temperatūrā. Galīgais skābekļa saturs (masas daļa) no sagatavotā parauga ir 0,2 procenti , ar atbilstošo stiepes izturību 850-880 MPa un pagarinājumu 8,5 procentiem -16 procentiem, kas atbilst ASTM 5. Ti standartam.

Lielākā daļa saistvielu uz gēla bāzes ir dabiskas vielas, piemēram, celuloze, cietes agars utt.

Tokura et al. [22] izmantoja agaru, lai aizstātu polimēru saistvielas titāna pulvera iesmidzināšanas formēšanā, un pētīja šīs saistvielu sistēmas termisko stabilitāti, šķīdību un injekcijas materiāla viskozitāti.

Suzuki [24] u.c. sagatavoja 97,3 procentus paraugus ar relatīvo blīvumu, izmantojot agara (molekulārā masa 82 500) saistvielu, kas satur 4 procentus masas. Oglekļa un skābekļa masas daļas paraugos ir attiecīgi 0,33 procenti un 0,3 procenti. Teces robeža ir 539 MPa, un pagarinājums ir aptuveni 10 procenti. Eksperimenta rezultāti liecina, ka, izmantojot augstas molekulmasas agaru, gēla stiprums palielinās, bet atlikuma oglekļa un skābekļa saturs ir augsts, kā rezultātā samazinās saķepināšanas blīvums, stiepes izturība un saķepināto gabalu pagarinājums.

Uz ūdens bāzes veidoto saistvielu, kas nav želeja, ir viegli kontrolēt, attaukošanas iekārtas ir lētākas nekā citas attaukošanas metodes, un saistviela ir bioloģiski noārdāma un nav toksiska mikroorganismiem, taču notekūdeņu attīrīšana attaukošanai prasa papildu izmaksas.

Ir grūti kontrolēt gala detaļu izmērus, kas ražotas ar gēla bāzes saistvielu sistēmas iesmidzināšanas formēšanas savienojumu, un sastāvs nav pietiekami stabils, tāpēc procesa apstākļi un kvalitātes kontrole ir sarežģīti, un joprojām ir nepieciešama turpmāka izpēte un optimizācija.

1.3. Iesmidzināšanas formēšana, atdalīšana un saķepināšana

Inžektorliešanas procesa parametrus nosaka iesmidzināšanas materiāla veiktspēja un mērķa izstrādājuma ģeometriskā forma.

Kā minēts iepriekš, titāna pulvera daļiņu izmērs parasti ir rupjš, kas ir pakļauts pulvera saistvielas atdalīšanai salīdzinājumā ar nerūsējošā tērauda materiāla iesmidzināšanu. Pirms injekcijas formēšanas jāizstrādā atbilstoši formēšanas procesa parametri, pamatojoties uz iesmidzināmā materiāla reoloģiskajām īpašībām, lai samazinātu defektus izveidotajā sagatavē.

Wang et al. [25] sagatavoja iesmidzināšanas liešanas materiālus, izmantojot Ti-6Al-4V sakausējumu, kas apvienots ar pulverveida vaska bāzes saistvielu sistēmu, un pārbaudīja un analizēja iesmidzināmo materiālu reoloģiskās īpašības dažādos pulvera daudzumos un temperatūrās, kas nodrošina pamatu atbilstošu formēšanas parametru izstrādei iesmidzināšanas formēšanas procesam.

Park et al. sagatavoja injekcijas materiālus, izmantojot aerosolizētu titāna pulveri, HDH titāna pulveri un sferoidizētu HDH titāna pulveri, un izmērīja to reoloģiskās īpašības un atdalīšanas uzvedību. Viņi ierosināja formējamības indeksu injekcijas materiālam un novērtēja tā veiktspēju, pamatojoties uz to. Analīzes rezultāti sniedza teorētisku pamatu HDH pulvera un aerosolizēta pulvera vienlaicīgai izmantošanai injekcijas materiālu sistēmā.

Barriere et al. [27] pētīja optimālos procesa parametrus metāla iesmidzināšanas veidņu detaļu ražošanai bez defektiem un ar nepieciešamajām mehāniskajām īpašībām, pamatojoties uz eksperimentāliem un skaitliskiem simulācijas procesiem. Balstoties uz modelēšanas metodēm, tika izmantots divfāžu plūsmas vienādojums un jaunizstrādāts eksplicīts algoritms, lai prognozētu materiāla atdalīšanas parādības injekcijas procesā, izmantojot skaitlisku simulāciju.

Chen et al. [28] izmantoja hidrogenētu dehidrogenētu Ti-6Al-4V iepriekš sakausējuma pulveri un ūdenī šķīstošu saistvielu sistēmu, lai sagatavotu piezīmes injekcijas materiālu, un pēc tam noteica ūdenī šķīstošās saistvielas komponenta polietilēnglikola noņemšanas ātrumu. dažāda biezuma paraugos dažādās temperatūrās. Lai noteiktu saistvielu sistēmas atdalīšanas mehānismu, tika izveidots difūzijas kontrolēts atdalīšanas matemātiskais modelis.

Sidambe [29] un citi izmantoja Taguchi metodes, lai noteiktu optimālo saķepināšanas temperatūras, laika, sildīšanas ātruma, atmosfēras un citu parametru kombināciju.

Ne u.c. [30] sagatavoja Ti – 6Al – 4V injekcijas materiālu, izmantojot palmu stearāta un polietilēna saistvielu sistēmu, un formulēja optimālo ražošanas procesu, izmantojot Taguchi metodes. Visbeidzot tika iegūts paraugs ar tecēšanas robežu 934,4 MPa un 10 procentu pagarinājumu, un tā kopējā veiktspēja atbilda ASTM B348-02 medicīniskā titāna sakausējuma prasībām.

Obasi et al. [31] sagatavoja Ti-6Al-4V paraugus, kuru īpašības atbilst ASTM B348-02 23. klases titāna sakausējuma prasībām, un pētīja procesa pamatparametru sistēmu izmaiņu ietekmi uz termisko apstrādi. Ti-6Al-4V pulvera MIM komponentu attaukošanas un saķepināšanas procesi.

Limbergs u.c. [32] sagatavoja Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C, izmantojot elementāru pulveru maisījumu iesmidzināšanas formēšanas procesā, un pētīja saķepināšanas laika ietekmi. un atmosfēra uz stiepes īpašībām un mikrostruktūru. Tika iegūts paraugs ar stiepes izturību aptuveni 630 MPa.

Guo et al. [8-9] sagatavoja tīru titānu un Ti-6Al-4V materiālus, izmantojot iesmidzināšanas liešanas tehnoloģiju, un pētīja termiskās apstrādes procesu, piemēram, karstās izostatiskās presēšanas un atkausēšanas, ietekmi uz materiāla īpašībām. sakausējuma materiāls. Termiskās apstrādes efekts tika kvalitatīvi un kvantitatīvi raksturots ar mikrostruktūras un mehānisko īpašību testēšanu, un tā mikrostruktūra ir parādīta 4. attēlā.

Piezīmes injekcijas materiāls tiek sagatavots, sajaucot atomizētu titāna pulveri, hidrogenētu dehidrogenētu titāna pulveri un saistvielu sistēmu uz vaska bāzes. Pēc iesmidzināšanas formēšanas šķīdinātāja atdalīšanu veic heptāna un etanola maisījumā. Saistviela tiek pilnībā noņemta pēc karsēšanas līdz 350, 420 un 600 ° C ar noteiktu sildīšanas ātrumu, un saķepināšanas temperatūra ir 1230 ° C 3 stundas. Visbeidzot, saķepinātā parauga stiepes īpašības bija 389-419 MPa, un pagarinājums bija 2-4 procenti.

Mūsu pētnieku grupas [33] dalībnieki sagatavoja tīra titāna paraugus, izmantojot aerosolizēta titāna pulvera un ūdenī šķīstoša saistvielas sistēmu, un pētīja saķepināšanas temperatūras un turēšanas laika ietekmi uz tīra titāna paraugu īpašībām. Saķepināšanas process tika veikts vakuuma pakāpē 10-4-10-3 Pa ar saķepināšanas temperatūru 1350 ° C un 20,3 procentu pagarinājumu, kas iegūts pēc 3 stundu turēšanas. Paraugi pilnībā atbilst ASTM F2989-13 labākajiem pulvermetalurģijas rādītājiem ar relatīvo blīvumu 96,9 procenti un stiepes izturību 443 MPa, biomedicīnas II pakāpes tīra titāna standartu.

4 Ti (a) un Ti-6Al-4 V (b) paraugu mikrostruktūras, kas sagatavotas no vaska bāzes izejvielām

2 Jauni titāna un titāna sakausējumu iesmidzināšanas veidņu materiāli

Titānu un titāna sakausējumus pašlaik plaši izmanto ortopēdijā, zobārstniecības iekārtās un medicīniskajos implantos. Tomēr, ņemot vērā titāna un cilvēka kaula mehānisko īpašību atšķirību (ar elastības moduli aptuveni 20 GPa), kaula/implanta saskarnē tiek radīti stresa aizsargefekti, kas var ievērojami apdraudēt ilgtermiņa klīniskos rezultātus, kā parādīts 5. attēls.

Tāpēc pētnieki ir pielāgojuši titāna materiālu mehāniskās īpašības, mainot to struktūru un sakausējuma sastāvu, padarot tos tuvākus cilvēka ķermeņa dabisko kaulu struktūrai un veiktspējai.

5 Biomedicīnas titāna sakausējumu elastības moduļa salīdzinājums

2.1. Poraini titāna materiāli un titāna keramikas kompozītmateriāli

Porainiem titāna materiāliem un jauniem titāna sakausējuma sistēmas materiāliem ir atbilstoša poru struktūra un mehāniskās īpašības, kas padara tos par ideāliem materiāliem ortopēdiskiem aizstājējimplantiem.

No vienas puses, tas var efektīvi samazināt stresa neatbilstību starp implantu un kaulaudiem, tādējādi samazinot stresa aizsargefektu un panākot implanta ilgstošu un efektīvu darbību; No otras puses, poraina struktūra ir nepieciešams nosacījums, lai kaulu šūnas ieaugtu implanta korpusā, un savstarpēji saistītā porainā struktūra var ļaut iziet cauri lielam daudzumam ķermeņa šķidruma, vēl vairāk veicinot kaulu šūnu augšanu.

Gu et al. izveidoja jauna veida TC4 sakausējumu ar atvērtu poru struktūru, pievienojot TiH2 kā putošanas līdzekli un aktivatoru titāna alumīnija vanādija elementa pulverim, ar vienmērīgu poru izmēru sadalījumu un poru izmēru diapazonā no 90 līdz 190 μm. Porainība ir aptuveni 43 procenti ~ 59 procenti, un elastības modulis svārstās no 5,8 līdz 9,5 GPa. Dzinējs u.c. [35] sagatavoja daudzmikroporainus titāna sakausējumus, izmantojot pulvera iesmidzināšanas (PIM) tehnoloģiju apvienojumā ar poru veidojošo vielu tehnoloģiju, un pētīja poras veidojošā līdzekļa polimetilmetakrilāta daudzuma ietekmi uz sakausējuma blīvumu, spiedes stiprību un elastības moduli.

Tuncer et al. [36] izmantoja atomizēta sfēriska pulvera, HDH titāna pulvera un saistvielas uz vaska bāzes, lai izpētītu sākotnējā pulvera ietekmi uz gala porainā titāna produkta darbību, pievienojot noteiktu daudzumu NaCl un KCl kā poras veidojošus līdzekļus. Turklāt, pielāgojot poras veidojošo līdzekļu daudzumu, tika iegūts porains titāna materiāls ar nepieciešamo porainību un poru izmēru medicīniskajiem implantiem, un materiāla ķīmiskais sastāvs varētu atbilst trešās pakāpes tīra titāna standartam.

Chen et al. [37] izmantoja NaCl kā poras veidojošu līdzekli un hidrogenētu dehidrogenētu titāna pulvera vaska bāzes injekcijas materiālu, lai sagatavotu iesmidzināšanas formas paraugus. Iegūto paraugu porainība bija 42,4 procenti ~ 71,6 procenti un poru izmērs 300 μm. Kā parādīts 6. attēlā. Pielāgojot izmantotā NaCl daudzumu, injekcijas daļas iekšpusē var izveidoties savstarpēji savienotas poras, un to mehāniskās īpašības ir līdzīgas šūnveida kaulam.

Barbosa et al. [38] pirmo reizi izmantoja Fe22Cr pulveri, lai pārbaudītu injekciju materiālu reoloģiskās īpašības ar dažādām saistvielu sistēmām. Pamatojoties uz veiktspējas pārbaudes rezultātiem, tika izvēlēta atbilstoša saistvielu sistēma uz vaska bāzes. Pēc tam Ti pulveris un poras veidojošs līdzeklis NaCl tika apvienots siltai presēšanai un daudzkomponentu iesmidzināšanai. Pēc attaukošanas un saķepināšanas tika sagatavota mugurkaula implanta sastāvdaļa ar blīvu serdi un ārējās porainības gradientu.

6 Poraina titāna iesmidzināšanas veidnes sastāvdaļa, izmantojot NaCl kā vietas turētāju

Hidroksiapatītam (HA), kam ir tāds pats ķīmiskais sastāvs un kristāla struktūra kā cilvēka dabiskajiem kaulaudiem, ir unikālas priekšrocības kaulu aizstāšanā un kaulu rekonstrukcijā, un tas ir sācis spēlēt arvien nozīmīgāku lomu biomedicīnas ierīcēs.

Tomēr tā lielā trausluma un slikto mehānisko īpašību dēļ HA nevar izmantot kā nesošo komponentu atsevišķi, kā rezultātā rodas jauna veida biomedicīnas materiāls, kas sastāv no HA un titāna materiāliem.

Tiāns et al. [39-42] pētīja Ti6Al4V/HA kompozītmateriālu sagatavošanu, izmantojot iesmidzināšanas liešanas metodi. Pirmkārt, Ti6Al4V/HA kompozītmateriālu pulveris tika sagatavots, izmantojot keramikas vircas metodi. Pēc tam sagatavotais pulveris tika sajaukts ar komerciālo saistvielu PAN-250S, lai sagatavotu piezīmes injekcijas materiālu. Tika pārbaudītas injekcijas materiāla reoloģiskās īpašības un pētīta sildīšanas ātruma un atdalošās atmosfēras gāzes plūsmas ātruma ietekme uz atsaites defektiem, saistvielas atdalīšanas daudzumu un atlikušā oglekļa saturu atdalīšanas procesā; Saķepināšanas procesa parametru (karsēšanas ātrums, saķepināšanas temperatūra, turēšanas laiks, dzesēšanas ātrums utt.) ietekme uz gala parauga veiktspēju, kā rezultātā porainība ir aptuveni 50 procenti no parauga; Papildus tika analizēts sagatavotā Ti6Al4V/HA materiāla bioloģiskā noārdīšanās process ķermeņa šķidruma vidē un raksturots ar mehānisko īpašību testu rezultātiem.

2.2. Jauni titāna sakausējuma materiāli

Biomedicīnas joma kā svarīga titāna materiālu pielietojuma nozare, tās pielietojuma pieprasījuma virziens tieši ietekmē titāna materiālu attīstības tendenci.

Agrīnās titāna materiālos tika izmantots tīrs titāns (galvenokārt sastāv no fāzēm, bet tīra titāna materiāliem ir zemāka izturība un vāja nodilumizturība, kā rezultātā tika izstrādāti augstas stiprības un augstas izturības materiāli, ko pārstāv Ti6Al4V, Ti6Al7Nb un Ti5Al2.5Fe plus A tipa sakausējums .

Austs et al. [43] veiksmīgi ražoja kaulu skrūvju materiālus ar izcilu veiktspēju, izmantojot Ti6Al7Nb pulveri un vaska bāzes saistvielu sistēmu (parafīns plus PE plus stearīnskābe), kā parādīts 7. attēlā. Materiāla relatīvais blīvums ir 97,6 procenti, stiepes izturība 815 MPa. , tecēšanas robeža 714 MPa un pagarinājums 8,7 procenti.

Pētījumu rezultāti ir parādījuši, ka sakausējuma elementi, piemēram, Al un V plaši izmantotajos titāna alumīnija vanādija sakausējumos un titāna alumīnija niobija sakausējumos, pēc implantu nonākšanas cilvēka ķermenī atbrīvo citotoksiskus Al un V jonus, radot kaitējumu cilvēka ķermenim.

Rezultātā pētnieki veica virkni jaunas paaudzes eksperimentu, kas satur tādus bioloģiskās drošības elementus kā Nb, Ta, Zr, Mo, Sn, bet ne Al un V elementus. Titāna sakausējuma sistēmu izstrāde.

Pašlaik izstrādātie un pētītie bioloģiskie titāna sakausējumi galvenokārt ir Ti-15Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-35Nb-7Zr-5Ta , Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr un Ti{{15} }Nb-13Ta-4.6Zr [44]. Dažādu ierobežojumu, piemēram, pulvera ražošanas tehnoloģijas dēļ, šīs sakausējumu sistēmas netiek plaši izmantotas pulvera iesmidzināšanas formēšanas procesos.

Zhao et al. [45] izmantoja titāna pulveri un niobija pulveri injekcijas liešanas eksperimentiem, lai veiksmīgi sagatavotu TiNb divfāzu sakausējumus ar relatīvo blīvumu aptuveni 95 procenti. Pārbaudot zaļo sagatavju, atdalošo detaļu un saķepināto detaļu mehāniskās īpašības, kā arī novērojot un salīdzinot saķepināto detaļu mikrostruktūru ar dažādu sakausējuma sastāvu saturu, tika pētīta Nb satura ietekme uz sakausējuma mikrostruktūru un mehāniskajām īpašībām.

Arokiasamy et al. [46] sagatavoja Ti-5Fe-5Zr sakausējumu, HDH tīram titāna pulverim pievienojot Fe un Zr elementus, un noteica sakausējuma mehāniskās īpašības. Pamatojoties uz testa rezultātiem, tika iegūts atlikušo poru veidošanās mehānisms un TiC ietekme uz sakausējuma materiāla īpašībām.

 

7. att. Ti6Al7Nb 骨钉Ti6Al7Nb kaulu skrūve, ko sagatavoja MIM

3 Outlook

Titāna un titāna sakausējumu zemais īpatnējais svars, augsta īpatnējā stiprība, lieliska bioloģiskā saderība, oksidācijas izturība un laba izturība pret koroziju ir liels attīstības potenciāls tādās lietojumprogrammās kā kosmosa, medicīnas, ķīmijas, automobiļu un ikdienas patēriņa preces.

Salīdzinājumā ar tradicionālajām apstrādes metodēm, piemēram, kalšanu, liešanu un mehānisko apstrādi, pulvera iesmidzināšanas liešanas tehnoloģijai ir acīmredzamas priekšrocības, piemēram, vienmērīgs sakausējuma sastāvs, augsts izejvielu izmantošanas līmenis un spēcīga ražošanas jauda lielam daudzumam sarežģītas formas detaļu, kas var ievērojami veicināt. titāna un titāna sakausējumu izstrādājumu ražošana un pielietošana.

Lai gan ir panākts zināms progress titāna un titāna sakausējuma iesmidzināšanas liešanas izpētē, faktiskajā rūpnieciskajā ražošanas procesā joprojām ir jāatrisina vairākas problēmas, piemēram, augstas kvalitātes pulvera izejvielu augstā cena, nepietiekama pārveidošana un pielietojums. jaunas augstas kvalitātes titāna sakausējuma sistēmas līdz iesmidzināšanai, un grūtības kontrolēt produkta ķīmisko sastāvu.

Turklāt, pēdējos gados strauji attīstoties mikrosistēmu tehnoloģijām, pieprasījums pēc mikrosistēmās izmantojamiem mikrokompleksu komponentiem turpina pieaugt. Pulvera iesmidzināšanas liešanai ir jāpāriet no tradicionālajiem produktu veidiem uz mikroproduktiem un jāattīsta pulvera mikro iesmidzināšanas formēšanas tehnoloģijā.

Pašlaik mikro iesmidzināšanas liešanas tehnoloģija galvenokārt ir vērsta uz tādu materiālu sistēmām kā polimēri un nerūsējošais tērauds, un joprojām ir daudz jautājumu, kas jāizpēta titāna un titāna sakausējumu mikro iesmidzināšanā.

Tāpēc, izstrādājot titāna un titāna sakausējuma iesmidzināšanas liešanas pētījumus, galvenā uzmanība jāpievērš jaunu titāna sakausējumu sistēmu izpētei un izstrādei, zemu izmaksu un augstas kvalitātes titāna sakausējuma pulvera sagatavošanas tehnoloģijas izstrādei un titāna materiāla mikro iesmidzināšanas liešanas izpētei. piemērots mikrokompleksām ierīcēm.

Padziļinot pētījumus par titāna un titāna sakausējumu iesmidzināšanas formēšanas tehnoloģiju, tiek uzskatīts, ka titāna un titāna sakausējuma iesmidzināšanas liešanas tehnoloģija sniegs ievērojamu progresu, tādējādi veicinot titāna nozares strauju attīstību.