Progressi della ricerca sulla tecnologia di stampaggio a iniezione di polvere di metallo in titanio e lega di titanio

Progressi della ricerca sulla tecnologia di stampaggio a iniezione di polvere di metallo in titanio e lega di titanio

--Fonte: CNKI, organizzato da: Zhongwei Precision Editor--

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Riepilogo

Il titanio e le leghe di titanio hanno un basso peso specifico, un'elevata resistenza specifica, un'eccellente biocompatibilità e una buona resistenza alla corrosione e hanno un grande potenziale di applicazione nei settori aerospaziale, biomedico, chimico, automobilistico e altri.

La tecnologia di stampaggio a iniezione di metalli (MIM) di titanio e polvere di metallo in lega di titanio può realizzare la preparazione di massa e a basso costo di prodotti in titanio di piccole e medie dimensioni con forme complesse, che è di grande importanza per promuovere la produzione e l'applicazione di titanio e titanio prodotti in lega.

Questo documento introduce le caratteristiche e i vantaggi dello stampaggio a iniezione di polvere metallica di titanio e leghe di titanio, riassume i progressi della ricerca nella tecnologia di stampaggio a iniezione di polvere metallica di titanio e leghe di titanio da materie prime in polvere, sistema legante, stampaggio a iniezione di polvere, debonding e sinterizzazione e analizza la direzione della ricerca e le prospettive di sviluppo dello stampaggio ad iniezione di polveri metalliche di titanio e leghe di titanio secondo le principali problematiche del momento.

Parole chiave Titanio; Lega di titanio; Stampaggio a iniezione; Classificazione dello stato di avanzamento della ricerca n. TF125.2; TF125.2 più 2

Dal 1840, quando le persone padroneggiarono il metodo di produzione industriale per ottenere il titanio metallico dai minerali, il titanio e le leghe di titanio sono stati ampiamente utilizzati negli impianti industriali e commerciali. Tuttavia, rispetto all'acciaio, la sua produzione annua è ancora ridotta e, a causa dell'alto costo delle materie prime, il suo campo di applicazione è per lo più limitato all'industria marittima, all'industria chimica, all'industria aerospaziale, ai dispositivi medici, agli impianti e ai beni di lusso e ad altre industrie con elevati requisiti per le prestazioni dei materiali.

Allo stato attuale, oltre al prezzo elevato delle materie prime, anche la difficoltà nella lavorazione e nella formatura del titanio e delle leghe di titanio ne limita notevolmente il campo di applicazione.

La lavorabilità del titanio e delle leghe di titanio è scarsa. Il metodo di lavorazione tradizionale è costoso per elaborare le apparecchiature e ha una bassa efficienza di elaborazione, il che aumenta notevolmente i costi di elaborazione; Le strutture delle parti in titanio che possono essere lavorate sono molto semplici e la maggior parte di esse non può raggiungere lo schema di progettazione che può dare gioco alle prestazioni ottimali dei materiali a causa dei limiti dei metodi di lavorazione.

In questo contesto, lo stampaggio a iniezione di metalli (MIM), che presenta i vantaggi di un elevato tasso di utilizzo delle materie prime e di un basso costo di produzione in lotti, è diventato un processo ideale di lavorazione del titanio e delle leghe di titanio [1 – 4].

Il processo di stampaggio a iniezione di polvere metallica di solito include diversi processi di base, come la preparazione del materiale di iniezione, lo stampaggio a iniezione, il debonding, la sinterizzazione e il necessario post-trattamento.

Come mostrato nella Figura 1, la polvere metallica e i componenti del legante organico vengono miscelati, miscelati e granulati per preparare il materiale di iniezione, quindi il materiale di iniezione viene iniettato nello stampo a una certa temperatura e pressione. Dopo raffreddamento si ottiene per sformatura il prodotto verde con una forma specifica, quindi tutti i componenti organici tranne la polvere metallica nel verde vengono rimossi dal processo di debonding per diventare il debonding green, ed infine si ottiene il prodotto con le prestazioni richieste per sinterizzazione.

La tecnologia di stampaggio a iniezione di polvere di metallo realizza la combinazione organica di stampaggio a iniezione e tradizionale tecnologia di metallurgia delle polveri, supera le carenze dell'alto costo del processo di lavorazione, della forma semplice del processo di stampaggio tradizionale, della bassa efficienza produttiva del processo di pressatura isostatica e stampaggio a iniezione, molti difetti della colata tradizionale processo, precisione di tolleranza bassa e promuove notevolmente la produzione e l'applicazione di prodotti in titanio e leghe di titanio (come mostrato nella Figura 2).

Fig. 1 Diagramma di flusso del processo di stampaggio ad iniezione di polvere metallica di titanio e leghe di titanio

Fig.1 Diagramma di flusso del titanio e delle leghe di titanio prodotte da MIM

Fig. 2 Esempi applicativi di stampaggio a iniezione di polvere di metallo in titanio e lega di titanio sviluppati congiuntamente da Zhongwei Precision e Pechino nel 2002 e la produzione di massa è stata raggiunta nel 2004

Fig. 2 Applicazione di titanio e leghe di titanio prodotte da MIM

Questo documento introduce le caratteristiche e i vantaggi dello stampaggio a iniezione di polvere metallica di titanio e lega di titanio, riassume i progressi della ricerca della tecnologia di stampaggio a iniezione di polvere di metallo di titanio e lega di titanio da materie prime in polvere, sistemi leganti comunemente usati, stampaggio a iniezione, debonding e sinterizzazione e analisi la direzione della ricerca dello stampaggio ad iniezione di polveri metalliche in titanio e leghe di titanio in considerazione delle principali problematiche attuali.

Stato di ricerca dello stampaggio a iniezione di polvere di metallo in titanio e lega di titanio

La ricerca mostra che le proprietà meccaniche, la resistenza alla corrosione e le proprietà biomediche dei prodotti stampati ad iniezione in titanio e leghe di titanio sono fortemente influenzate dalla densità relativa, dal contenuto di impurità, dagli elementi di lega e dalla microstruttura.

Dopo la sinterizzazione, la densità relativa dei prodotti stampati a iniezione è di circa il 95% e ci sarà una certa proporzione di pori residui.

Questi pori residui diventeranno la fonte di cricche quando il campione si rompe e avranno un grande impatto sulla resistenza alla trazione, duttilità, tenacità alla frattura, resistenza alla fatica e altre proprietà meccaniche del materiale. Pertanto, maggiore è la densità relativa dei prodotti stampati a iniezione di titanio e leghe di titanio, migliori sono le loro proprietà meccaniche.

Impurità come ossigeno, carbonio, azoto, idrogeno, ecc., in particolare l'ossigeno, miglioreranno la resistenza allo snervamento, la resistenza alla trazione e la durezza dei materiali e ridurranno la duttilità. Le impurità vengono disciolte nella matrice di titanio alla temperatura di sinterizzazione. Poiché non esiste un agente riducente efficace, è difficile controllare le impurità di titanio e leghe di titanio durante il processo di sinterizzazione, quindi è necessario ridurre il più possibile la quantità di ossigeno aggiunta nelle materie prime e in ogni processo successivo.

La microstruttura del titanio e delle leghe di titanio, inclusa la dimensione del grano e la composizione della fase dopo la sinterizzazione, influenzerà le proprietà meccaniche dei materiali. In una parola, i materiali in titanio e leghe di titanio stampati a iniezione con prestazioni eccellenti hanno un'elevata densità, un basso contenuto di impurità (di solito contenuto di ossigeno), una composizione della lega appropriata, grana fine e pochi difetti durante la densificazione [5].

1.1 Materie prime in polvere

La selezione delle materie prime in polvere è una fase importante nel processo di stampaggio ad iniezione di polvere di titanio. La distribuzione granulometrica e la morfologia della polvere influiscono direttamente sulla fluidità e formabilità del materiale di iniezione, sul mantenimento della forma del corpo verde durante il processo di debonding e sul ritiro durante il processo di sinterizzazione.

Attualmente, i metodi di preparazione comunemente usati di titanio e polvere di leghe di titanio includono il metodo meccanico e il metodo di atomizzazione.

La forma della polvere prodotta dalla macinazione meccanica (come la macinazione a sfere, la macinazione a sfere con agitazione, la macinazione a sfere con vibrazioni ad alta energia e la macinazione a flusso d'aria) è generalmente irregolare o angolare.

Il processo di idrogenazione deidrogenazione (HDH) è quello di sfruttare l'evidente fragilità del titanio dopo l'assorbimento di idrogeno, frantumarlo mediante macinazione meccanica o frantumazione del flusso d'aria, quindi deidrogenarlo per ottenere polvere di titanio di forma irregolare, come mostrato nella Figura 3 (a) . Il metodo di atomizzazione (come l'atomizzazione con gas inerte, l'atomizzazione con elettrodo rotante con fascio di plasma e l'atomizzazione con gas di fusione a induzione dell'elettrodo) può essere eseguito in un'atmosfera completamente inerte, in modo da mantenere l'elevata purezza della polvere grezza. La polvere è di forma sferica, con una distribuzione granulometrica abbastanza ampia e buone prestazioni di impilamento, come mostrato nella Figura 3 (b).

Inoltre, a differenza della tecnologia di produzione della polvere d'acciaio, è difficile produrre polvere di titanio con una granulometria più fine. Con la diminuzione della dimensione delle particelle, aumenta la superficie specifica e aumenterà anche il contenuto di impurità.

Generalmente, la dimensione delle particelle di polvere di titanio utilizzata da MIM è inferiore a 45 μ m. Quando le particelle di polvere sono troppo grandi, il processo di iniezione tende a produrre la separazione del legante in polvere, formando difetti, che devono essere considerati pienamente nella progettazione della composizione dei materiali di iniezione e nella progettazione dello stampo [5].

Fig. 3 Polvere di titanio idrodeidrogenato (a) e polvere di titanio aerosol (b) per stampaggio a iniezione

Fig.3 Polvere di titanio HDH (a) e gas atomizzata (b) utilizzata in MIM

1.2 Legante

Il legante è un supporto che esiste in fasi durante il processo di stampaggio a iniezione. Il suo ruolo principale è fare in modo che la polvere riempia lo stampo in modo uniforme in uno stato fluido, formi la forma richiesta e lo mantenga alla fase di presinterizzazione.

Nel processo di stampaggio ad iniezione, il legante dovrebbe avere le seguenti caratteristiche: basso punto di fusione, buona bagnabilità alle particelle di polvere e indurimento rapido, che è conveniente per la preparazione di materiali da iniezione; Ha buona fluidità alla temperatura di iniezione; Dopo la formatura, può essere facilmente rimosso dal corpo verde e ci sono meno residui. I prodotti di decomposizione sono atossici e non corrosivi.

In generale, la componente legante deve comprendere almeno la componente principale e la componente secondaria:

Il componente principale viene utilizzato per bagnare le particelle di polvere metallica e fornire la fluidità necessaria, mentre il componente secondario assicura che il corpo verde di iniezione abbia ancora una resistenza sufficiente durante il processo di iniezione e dopo che il componente principale del legante è stato rimosso.

Nella maggior parte dei casi, il sistema legante ha un terzo componente, come il tensioattivo, per migliorare la compatibilità tra polveri metalliche e polimeri.

A seconda dei diversi componenti principali nei componenti del legante, i sistemi leganti comunemente usati possono essere suddivisi in sistemi a base di cera, sistemi a base di composti aromatici, sistemi a base di paraformaldeide e sistemi a base d'acqua.

1.2.1 Legante a base di cera

Le cere comunemente utilizzate degli adesivi per sistemi a base di cera sono cera di paraffina, cera d'api, cera di palma e altri polimeri a catena corta. Hanno un basso punto di fusione, una buona bagnabilità, una catena molecolare corta, una bassa viscosità e hanno una variazione di volume inferiore rispetto ad altri polimeri durante la decomposizione, il che contribuisce a garantire l'accuratezza dimensionale dei prodotti.

I componenti secondari comunemente usati nei sistemi a base di cera includono polipropilene, polietilene, copolimero di etilene vinil acetato e polimetilmetacrilato ad alto peso molecolare. Oltre alla cera e al legante scheletrico, viene solitamente aggiunto un tensioattivo, come l'acido stearico, per migliorare la compatibilità tra la polvere e il polimero.

Il sistema legante a base di cera riportato per la prima volta in letteratura è che Kaneko et al.

Kato et al. [7] hanno studiato il processo di debonding in due fasi che combina il debonding sotto vuoto e il debonding in atmosfera di argon, che ha ridotto significativamente il contenuto di carbonio e ossigeno nei pezzi sinterizzati.

Guo et al. [8 – 9] ha sviluppato un sistema legante paraffina – polietilene glicole – polietilene – polipropilene – acido stearico utilizzando polietilene glicole con migliore bagnabilità per sostituire parte della paraffina, e lo ha utilizzato nello stampaggio ad iniezione di titanio puro e lega di titanio e alluminio vanadio. Le parti sinterizzate hanno una buona tenuta della forma e poco movimento. Grazie alla riduzione del contenuto di ossigeno e carbonio, anche le prestazioni sono state notevolmente migliorate, con conseguente miglioramento delle prestazioni.

Inoltre, alcuni ricercatori hanno utilizzato la cera di palma per sostituire parzialmente la cera di paraffina [10 – 13] e l'olio di palma per sostituire completamente la cera di paraffina [14] nel sistema legante a base di cera, con un buon effetto formante. Tuttavia, poiché l'elemento di ossigeno contenuto nella cera di palma stessa è anche una fonte di aumento dell'ossigeno, il contenuto di carbonio e ossigeno del prodotto finale è leggermente superiore e le sue proprietà meccaniche non sono buone come quelle del sistema di paraffina.

Il miglior sistema legante a base di cera riportato in letteratura è stato proposto da Friederici et al. [15]. Durante l'esperimento, sono stati formati quattro tipi di proporzioni di legante regolando la proporzione di paraffina, polietilene a bassa densità e acido stearico, quindi sono stati eseguiti i processi di formatura, debonding e sinterizzazione di diversi materiali di iniezione. Sono stati ottenuti campioni con densità relativa del 98,1% e composizione chimica che soddisfano i requisiti del titanio puro secondario.

Il sistema legante a base di cera svolge un ruolo importante nello stampaggio a iniezione. Tuttavia, a causa della bassa efficienza di sgrassaggio del solvente organico utilizzato per il distacco con solvente del sistema legante a base di cera, i ricercatori continuano a innovare su questa base e sviluppare un nuovo sistema legante.

1.2.2 Legante a base di composti aromatici

I composti aromatici (come naftalene, antracene, ecc.) possono essere disciolti a una temperatura molto bassa. In condizioni di bassa pressione, possono essere trasformati direttamente da solidi a gas per sublimazione a una temperatura inferiore al loro punto di fusione. L'uso di composti aromatici come componenti leganti può migliorare notevolmente l'efficienza del processo di debonding.

Weil et al. [16 – 18] hanno utilizzato composti aromatici nello stampaggio a iniezione di polvere di metallo di titanio. Nella ricerca, naftalene, 1% di acido stearico e 3% ~ 12% di copolimero di acetato di vinile sono stati usati come agenti leganti per preparare leghe di titanio e alluminio vanadio dense e porose.

Durante l'esperimento, a causa della sublimazione diretta del naftalene in gas, non c'era fase liquida nel processo di debonding, il volume del campione non è cambiato e, a differenza dello sgrassaggio con solvente, l'energia superficiale coinvolta nel metodo di sublimazione era bassa, il che significava che si potrebbero evitare comuni difetti di sgrassaggio come deformazioni e screpolature. I risultati hanno mostrato che la densità relativa dei campioni sinterizzati era del 96,6% e il contenuto di carbonio non è aumentato.

Sebbene il sistema legante abbia ottenuto ottime prestazioni del prodotto, i composti aromatici nel sistema continueranno ad avere un impatto sull'ambiente e sulla salute e non sono stati studiati successivamente o applicati su larga scala.

1.2.3 Legante a base di poliformaldeide

La poliformaldeide è stata utilizzata per la prima volta nel sistema legante da Celanese Corp nel 1984, e poi sviluppata da BASF, rendendo possibile che i componenti del legante non contengano cera e componenti di piccolo peso molecolare [19].

La poliformaldeide è il componente principale del sistema legante e il polietilene (PE) viene gradualmente aggiunto come legante dello scheletro nel successivo processo di sviluppo.

Attualmente, BASF ha formato materiali per stampaggio a iniezione che coprono acciaio bassolegato, acciaio inossidabile, acciaio per utensili, titanio, leghe di titanio e ceramica basati su questo sistema di leganti.

La caratteristica notevole del POM è che è sensibile ai reagenti acidi e facile alla decomposizione acida. Pertanto, le billette verdi possono essere trattate in un'atmosfera acida inferiore alla loro temperatura di rammollimento. In questo processo, il poliossimetilene si trova allo stato solido, evitando i difetti quali crepe ed espansioni causati dall'ebollizione dei componenti del legante. Inoltre, le billette verdi hanno una piccola deformazione, un buon mantenimento della forma e un controllo accurato delle dimensioni.

Inoltre, a causa della grande velocità di diffusione, rispetto ad altri metodi di sgrassaggio, la velocità di sgrassaggio è maggiore, che può raggiungere 10 volte la velocità del tradizionale distacco del solvente, pur consentendo un distacco di dimensioni più spesse [20].

Sebbene il sistema legante a base di poliossimetilene abbia molti vantaggi sopra, presenta anche molti svantaggi.

Il vapore di acido nitrico altamente corrosivo è comunemente usato come catalizzatore nel processo di debonding catalitico. Da un lato, il poliossimetilene può decomporsi durante la preparazione e lo stampaggio a iniezione dei materiali di iniezione nella fase iniziale, producendo formaldeide altamente tossica, e i prodotti di decomposizione devono essere rimossi attraverso una combustione in due fasi. D'altra parte, l'atmosfera acida che svolge un ruolo catalitico è altamente corrosiva per l'apparecchiatura, richiedendo maggiori investimenti.

1.2.4 Legante a base d'acqua

I solventi distaccanti (quali eptano ed esano) oi prodotti di decomposizione dei componenti del legante (composto aromatico monomero e formaldeide) utilizzati nei suddetti diversi sistemi leganti sono più o meno dannosi per l'ambiente e per gli operatori. Pertanto, è di grande importanza sviluppare e utilizzare il sistema legante con solventi rispettosi dell'ambiente.

I sistemi di leganti ecologici esistenti utilizzano l'acqua come solvente di distacco.

A seconda dei diversi ruoli dell'acqua nella preparazione dei materiali da iniezione, questo tipo di sistema legante può essere suddiviso in a base di gel e non a base di gel.

Il polimero comune utilizzato nei sistemi non a base di gel è il polietilenglicole, che ha buone prestazioni ed è economico e di facile reperimento. Il polietilenglicole a basso peso molecolare può essere rimosso rapidamente e completamente a 60 gradi C e il peso molecolare del polietilenglicole comunemente usato è di circa 500~2000. Il legante scheletrico comunemente usato è il polimetilmetacrilato con un peso molecolare di 10000.

Sidambe et al.

Nell'esperimento, il polietilenglicole è stato completamente rimosso in acqua a 55 gradi C dopo 5 ore e il polimetilmetacrilato è stato completamente rimosso in un flusso di argon antiaderente caldo a 440 gradi C. Il contenuto di ossigeno finale (frazione di massa) del campione preparato è 0,2 percento, la resistenza alla trazione corrispondente è 850 ~ 880 MPa e l'allungamento è 8,5 percento ~ 16 percento, soddisfacendo lo standard ASTM grado 5 Ti.

La maggior parte dei leganti a base di gel sono sostanze naturali, come cellulosa, agar di amido, ecc.

Tokura [22] et al. ha utilizzato l'agar per sostituire il legante polimerico nello stampaggio a iniezione di polvere di titanio e ha studiato la stabilità termica, la solubilità e la viscosità del sistema legante.

Metal Powder Report (MPR) [23] ha riportato uno studio sulla produzione di impianti dentali in lega di titanio utilizzando un legante a base di agar, che consiste in materiali di rinforzo in agar, acqua e gel.

Suzuki [24] et al. preparato il 97,3% di campioni con densità relativa utilizzando un legante agar (peso molecolare 82 500) contenente una frazione di massa del 4%. Le frazioni di massa di carbonio e ossigeno dei campioni sono rispettivamente 0,33 percento e 0,3 percento. La resistenza allo snervamento è di 539 MPa e l'allungamento è di circa il 10 percento. I risultati sperimentali mostrano che quando si utilizza agar ad alto peso molecolare, la forza del gel aumenta, ma il contenuto residuo di carbonio e ossigeno è elevato, con conseguente minore densità di sinterizzazione, resistenza alla trazione e allungamento dei pezzi sinterizzati.

Il legante a base d'acqua non a base di gel è facile da controllare, l'attrezzatura per lo sgrassaggio è più economica di altri metodi di sgrassaggio e il legante è biodegradabile e non tossico per i microrganismi, ma il trattamento delle acque reflue per lo sgrassaggio richiede costi aggiuntivi.

È difficile controllare le dimensioni delle parti finali prodotte dal composto per stampaggio a iniezione del sistema legante a base di gel e la composizione non è sufficientemente stabile, quindi le condizioni di processo e il controllo di qualità sono difficili e sono ancora necessarie ulteriori ricerche e ottimizzazioni.

1.3 Stampaggio ad iniezione, debonding e sinterizzazione

I parametri di processo dello stampaggio a iniezione sono determinati dalle proprietà del composto da iniezione e dalla geometria del prodotto target.

Come accennato in precedenza, la dimensione delle particelle della polvere di titanio è solitamente relativamente grossolana, il che è facile da causare la separazione del legante in polvere rispetto allo stampaggio a iniezione di materiali in acciaio inossidabile. Prima dello stampaggio a iniezione, è necessario formulare parametri del processo di stampaggio appropriati in base alle proprietà reologiche dei materiali di iniezione per ridurre i difetti nei corpi verdi stampati.

Wang et al.

Parco [26] et al. ha preparato i materiali di iniezione con polvere di titanio aerosolizzato, polvere di titanio HDH e polvere di titanio HDH sferoidizzato, ne ha misurato le proprietà reologiche e il comportamento di distacco, ha proposto l'indice di formabilità dei materiali di iniezione e ha valutato le proprietà dei materiali di iniezione sulla base di questo. I risultati dell'analisi hanno fornito una base teorica per l'uso simultaneo di polvere HDH e polvere aerosolizzata nel sistema dei materiali di iniezione.

Barriere [27] e altri hanno discusso i parametri di processo ottimali per la produzione di parti stampate ad iniezione di metallo senza difetti e con le proprietà meccaniche richieste sulla base del processo di simulazione sperimentale e numerica. Basandosi sulla tecnologia di modellazione, hanno utilizzato equazioni di flusso a due fasi e un algoritmo esplicito di nuova concezione per prevedere il fenomeno della separazione del materiale nel processo di iniezione mediante la simulazione numerica.

Chen [28] et al. utilizzato polvere di prelega idrogenata deidrogenata Ti – 6Al – 4V e sistema legante solubile in acqua per preparare il feed di commento, quindi misurato il tasso di rimozione del componente legante solubile in acqua glicole polietilenico in campioni di diverso spessore a diverse temperature, stabilito un modello matematico di debonding a diffusione controllata , e ha determinato il meccanismo di distacco del sistema legante.

Sidambe [29] et al. ha utilizzato il metodo di Taguchi per determinare la migliore combinazione di temperatura di sinterizzazione, tempo, velocità di riscaldamento, atmosfera e altri parametri.

Né et al. [30] hanno preparato materiale per iniezione Ti – 6Al – 4V utilizzando un sistema di estere di palma duro e legante di polietilene e hanno formulato il processo di produzione ottimale utilizzando il metodo Taguchi. Infine, è stato ottenuto un campione con un limite di snervamento di 934,4 MPa e un allungamento del 10% e le sue prestazioni complessive hanno soddisfatto i requisiti della lega di titanio medicale ASTM B348-02.

Obasi et al. [31] ha preparato campioni Ti – 6Al – 4V con proprietà che soddisfano i requisiti della lega di titanio ASTM B348 – 02 grado 23 e ha studiato l'influenza delle modifiche nel sistema dei parametri di processo di base sul processo di sgrassaggio termico e sinterizzazione di Ti – 6Al – 4V componenti MIM in polvere.

Limberg et al. [32] preparato Ti – 45Al – 5Nb – 0.2B – 0.2C mescolando polveri semplici nel processo di stampaggio a iniezione, ha studiato gli effetti del tempo di sinterizzazione e dell'atmosfera di sinterizzazione sulle proprietà di trazione e sulla microstruttura, e ottenuto campioni con resistenza alla trazione di circa 630 MPa.

Guo et al. [8 – 9] ha preparato materiali in titanio puro e Ti – 6Al – 4V mediante la tecnologia dello stampaggio a iniezione, ha studiato l'influenza dei processi di trattamento termico come la pressatura isostatica a caldo e la ricottura sulle proprietà dei materiali in lega e ha caratterizzato qualitativamente e quantitativamente l'effetto del trattamento termico mediante prove di proprietà meccaniche della microstruttura. La sua microstruttura è mostrata nella Figura 4.

Il feed di commento viene preparato miscelando polvere di titanio atomizzato, polvere di titanio deidrogenato idrogenato e un sistema legante a base di cera. Dopo lo stampaggio ad iniezione, viene disincollato nel solvente nella miscela di eptano ed etanolo. Dopo aver riscaldato fino a 350, 420 e 600 gradi C a una certa velocità di riscaldamento, il legante viene completamente rimosso mediante conservazione del calore. La temperatura di sinterizzazione è di 1230 gradi C e la conservazione del calore è di 3 h. Infine, le proprietà di trazione dei campioni sinterizzati sono 389~419 MPa e l'allungamento è del 2% ~4%.

I membri del gruppo di ricerca [33] hanno preparato campioni di titanio puro utilizzando polvere di titanio aerosol e un sistema legante solubile in acqua, hanno studiato gli effetti della temperatura di sinterizzazione e del tempo di mantenimento sulle proprietà dei campioni di titanio puro. Il processo di sinterizzazione è stato eseguito sotto vuoto di 10-4~10-3 Pa, la temperatura di sinterizzazione era di 1350 gradi C e l'allungamento era del 20,3 percento dopo 3 ore, il che è pienamente conforme a ASTM F{{8 }}, il campione con le migliori prestazioni di metallurgia delle polveri, la densità relativa era del 96,9% e la resistenza alla trazione era di 443 MPa, standard di titanio puro di grado II biomedico.

Fig. 4 Microstruttura di campioni di titanio puro (a) e lega titanio alluminio vanadio (b) preparati con iniezione di legante a base di cera

Fig.4 Microstrutture di campioni di Ti(a) e Ti-6Al-4V (b) preparati con materie prime a base di cera

2 Nuovi materiali per lo stampaggio a iniezione di titanio e leghe di titanio

Attualmente, il titanio e le leghe di titanio sono ampiamente utilizzati nella chirurgia ortopedica, negli strumenti correlati alla stomatologia e negli impianti medici. Tuttavia, a causa della differenza tra le loro proprietà meccaniche e le proprietà meccaniche dell'osso umano (modulo elastico di circa 20 GPa), si verificano effetti di protezione dallo stress sull'interfaccia osso/impianto, che possono portare a una significativa riduzione degli effetti clinici a lungo termine, poiché mostrato in Figura 5.

Pertanto, i ricercatori hanno regolato le proprietà meccaniche dei materiali in titanio modificando la struttura e la composizione della lega dei materiali in titanio per renderli più vicini alla struttura e alle prestazioni delle ossa naturali umane.

Fig. 5 Confronto del modulo elastico di comuni materiali in lega di titanio medicale

Fig.5 Confronto modulo elastico di leghe di titanio biomedicali

2.1 Materiali porosi in titanio e compositi in titanio  ceramica

I materiali porosi in titanio e i nuovi materiali del sistema in lega di titanio hanno una struttura dei pori e proprietà meccaniche appropriate e sono materiali ideali per impianti ortopedici.

Da un lato, può ridurre efficacemente lo squilibrio di stress tra l'impianto e il tessuto osseo, riducendo così l'effetto di protezione dallo stress e realizzando la funzione permanente ed efficace dell'impianto; D'altra parte, la struttura porosa è una condizione necessaria per la crescita delle cellule ossee nel corpo implantare. La struttura porosa interconnessa può consentire il passaggio di una grande quantità di fluido corporeo, che può promuovere ulteriormente la crescita delle cellule ossee.

Gu[34] et al. ha formato una nuova lega TC4 con struttura a pori aperti aggiungendo TiH2 come agente schiumogeno e attivatore alla polvere elementare di titanio e alluminio vanadio, con una distribuzione uniforme delle dimensioni dei pori di 90 ~ 190 μ m. La porosità è di circa il 43% ~ 59% e il modulo elastico è 5,8 ~ 9,5 GPa. Motore et al. [35] ha preparato una lega di titanio microporosa mediante stampaggio ad iniezione di polvere (PIM) combinata con la tecnologia dell'agente di formazione dei pori e ha studiato l'influenza della quantità di polimetilmetacrilato dell'agente di formazione dei pori sulla densità, la resistenza alla compressione e il modulo elastico della lega.

Tuner et al

Chen [37] et al. utilizzato NaCl come agente di formazione dei pori e materiale per iniezione a base di cera in polvere di titanio deidrogenato idrogenato per preparare campioni stampati a iniezione. La porosità dei campioni ottenuti era del 42,4% ~71,6% e il diametro dei pori ha raggiunto 300 μm. Come mostrato nella Figura 6. Regolando la quantità di NaCl, è possibile formare un foro di collegamento nella parte di iniezione e le sue proprietà meccaniche sono simili a quelle dell'osso spugnoso.

Barbosa et al.

Fig. 6 Componente poroso per stampaggio a iniezione di titanio preparato con NaCl come agente di formazione dei pori

Fig.6 Componente poroso per stampaggio a iniezione di titanio che utilizza NaCl come supporto dello spazio

L'idrossiapatite (HA), con la stessa composizione chimica e struttura cristallina del tessuto osseo naturale umano, presenta vantaggi unici nella sostituzione ossea e nella ricostruzione ossea e ha iniziato a svolgere un ruolo sempre più importante nei dispositivi biomedici.

Tuttavia, HA è fragile e ha scarse proprietà meccaniche, quindi non può essere utilizzato come componente portante da solo. Pertanto, è emerso un nuovo materiale biomedico composto da materiali HA e titanio.

Thian et al. [39  42] ha studiato la preparazione di compositi Ti6Al4V/HA mediante stampaggio a iniezione. In primo luogo, la polvere composita Ti6Al4V/HA è stata preparata mediante processo di impasto ceramico, quindi la polvere preparata è stata miscelata con il legante commerciale PAN-250S per preparare le osservazioni. Sono state testate le proprietà reologiche della miscela di iniezione e sono stati studiati gli effetti della velocità di riscaldamento e della portata di gas dell'atmosfera di debonding sui difetti della parte da debonding, la quantità di legante rimosso e il contenuto di carbonio residuo nel processo di debonding ; L'influenza dei parametri del processo di sinterizzazione (velocità di riscaldamento, temperatura di sinterizzazione, tempo di mantenimento, velocità di raffreddamento, ecc.) sulle proprietà del campione finale, la porosità del campione preparato è di circa il 50 percento; Inoltre, il processo di degradazione biologica del materiale Ti6Al4V/HA preparato nell'ambiente del fluido corporeo è stato analizzato e caratterizzato dai risultati dei test delle proprietà meccaniche.

2.2 Nuovi materiali in lega di titanio

Il campo biomedico è un ramo importante dell'applicazione dei materiali in titanio e la sua direzione della domanda di applicazione influisce direttamente sulla tendenza allo sviluppo dei materiali in titanio.

I primi materiali in titanio erano titanio puro (fase), ma la resistenza dei materiali in titanio puro è bassa e la resistenza all'usura è scarsa, sviluppando così un'elevata resistenza e tenacità, rappresentate da Ti6Al4V, Ti6Al7Nb e Ti5Al2.5Fe più leghe di tipo.

Aust et al. [43] ha prodotto con successo materiali per viti ossee con prestazioni eccellenti utilizzando il sistema legante a base di polvere e cera Ti6Al7Nb (paraffina più PE più acido stearico), come mostrato nella Figura 7. La sua densità relativa è del 97,6 percento, la resistenza alla trazione è 815 MPa, la resistenza allo snervamento è 714 MPa e l'allungamento è dell'8,7 percento.

I risultati della ricerca mostrano che Al, V e altri elementi di lega in lega di titanio e alluminio vanadio e lega di titanio e alluminio niobio, che sono attualmente ampiamente utilizzati, rilasceranno ioni Al, V citotossici dopo che l'impianto è entrato nel corpo umano, causando danni al corpo umano .

Di conseguenza, i ricercatori hanno condotto una serie di test di biosicurezza di nuova generazione che contengono Nb, Ta, Zr, Mo, Sn e altri elementi di biosicurezza ma non Al, elementi V Sviluppo del sistema di leghe di titanio.

Le leghe di titanio attualmente sviluppate e ricercate includono principalmente Ti-15Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-35Nb-7Zr{5}}Ta , Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr e Ti-29 Nb-13Ta-4.6Zr [44]. A causa dei limiti della tecnologia di produzione delle polveri e di altri aspetti, questi sistemi di leghe sono usati raramente nello stampaggio a iniezione di polveri.

Zhao et al.

Arokiasamy et al. [46] hanno preparato la lega Ti  5Fe  5Zr aggiungendo elementi Fe e Zr alla polvere di titanio puro HDH e hanno misurato le proprietà meccaniche della lega. Sulla base dei risultati del test, è stato ottenuto il meccanismo dell'influenza della porosità residua e del TiC sulle proprietà dei materiali in lega.

Fig. 7 Stampaggio ad iniezione di polveri metalliche

Fig. 7 Vite ossea Ti6Al7Nb preparata mediante processo di stampaggio a iniezione di metallo Vite ossea Ti6Al7Nb MIM prodotta da Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd

3 Prospettive

Il titanio e le leghe di titanio hanno un grande potenziale di sviluppo nelle applicazioni aerospaziali, mediche, chimiche, automobilistiche e dei beni di consumo grazie al loro basso peso specifico, all'elevata resistenza specifica, all'eccellente biocompatibilità e resistenza all'ossidazione e alla buona resistenza alla corrosione.

Rispetto alle tradizionali tecnologie di lavorazione, come forgiatura, fusione e lavorazione, la tecnologia di stampaggio a iniezione di polvere presenta evidenti vantaggi, composizione uniforme della lega, alto tasso di utilizzo delle materie prime e forte capacità di produzione per grandi quantità di parti di forma complessa, che possono promuovere notevolmente il produzione e applicazione di prodotti in titanio e leghe di titanio.

Sebbene siano stati compiuti alcuni progressi nella ricerca dello stampaggio ad iniezione di titanio e leghe di titanio, restano da risolvere una serie di problemi nell'attuale processo di produzione industriale, come il prezzo elevato delle materie prime in polvere di alta qualità, l'applicazione insufficiente di nuovi sistema di lega di titanio di alta qualità per lo stampaggio ad iniezione e la difficoltà nel controllare la composizione chimica dei prodotti.

Inoltre, con il rapido sviluppo della tecnologia dei microsistemi negli ultimi anni, la domanda di componenti microcomplessi utilizzati nei microsistemi è in aumento e lo stampaggio a iniezione di polvere deve essere trasferito dai tipi di prodotto tradizionali ai microprodotti e sviluppato nello stampaggio a microiniezione di polvere tecnologia.

Attualmente, la tecnologia di micro stampaggio a iniezione si concentra principalmente su sistemi di polimeri, acciaio inossidabile e altri materiali. Ci sono ancora molti problemi da studiare nello stampaggio a microiniezione di titanio e leghe di titanio.

Pertanto, lo sviluppo della ricerca sullo stampaggio a iniezione di titanio e leghe di titanio dovrebbe concentrarsi sulla ricerca e lo sviluppo di nuovi sistemi di leghe di titanio, lo sviluppo di tecnologie di preparazione della polvere di leghe di titanio di alta qualità a basso costo e la ricerca di micro stampaggio a iniezione di materiali in titanio per dispositivi microcomplessi.

Con la ricerca approfondita sulla tecnologia di stampaggio a iniezione di titanio e leghe di titanio, si ritiene che la tecnologia di stampaggio a iniezione di titanio e leghe di titanio farà grandi progressi e quindi promuoverà il rapido sviluppo dell'industria del titanio