Tecnologia di stampaggio a iniezione di polvere di metallo in lega di titanio e titanio

Tecnologia di stampaggio a iniezione di polvere di metallo in lega di titanio e titanio

 

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. ha raggiunto la produzione di massa attraverso la continua ricerca e sviluppo, innovazione, test, processi di stampaggio a iniezione di metalli in titanio e leghe di titanio nel 2008. Se ci sono clienti bisognosi, si prega di inviare un'e-mail: business- mall@zw-jm.com Consegnalo alla nostra azienda e gli ingegneri professionisti ti risponderanno tempestivamente entro il giorno lavorativo più breve,

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 applicativo in settori come quello aerospaziale, biomedico, chimico e automobilistico.

La tecnologia di stampaggio a iniezione di polvere di metallo (MIM) in titanio e lega di titanio può ottenere una preparazione su larga scala ea basso costo di prodotti in titanio di forma complessa di piccole e medie dimensioni, che è di grande importanza per promuovere la produzione e l'applicazione di prodotti in titanio e leghe di titanio .

Questo articolo introduce le caratteristiche ei vantaggi dello stampaggio ad iniezione di polvere metallica di titanio e leghe di titanio. Riassume i progressi della ricerca sulla tecnologia di stampaggio a iniezione di polvere di metallo in lega di titanio e titanio dagli aspetti delle materie prime in polvere, dei sistemi leganti, dello stampaggio a iniezione di polvere, del distacco e della sinterizzazione. In risposta alle principali problematiche attualmente esistenti, analizza la direzione della ricerca e le prospettive di sviluppo dello stampaggio ad iniezione di polveri metalliche di titanio e leghe di titanio.

Parole chiave titanio; Lega di titanio; Stampaggio a iniezione; Numero di classificazione dell'avanzamento della ricerca TF125.2; TF125.2 più 2

(Nota dell'editore: introduzione in inglese omessa...)

Da quando il metodo di produzione industriale per ottenere il titanio metallico dal minerale è stato perfezionato nel 1840, il titanio e le leghe di titanio sono stati ampiamente utilizzati nelle strutture industriali e commerciali. Tuttavia, rispetto all'acciaio, la sua produzione annua è ancora ridotta e, a causa dell'elevato costo delle materie prime, il suo ambito di applicazione è per lo più limitato all'industria marittima, chimica, aerospaziale, dispositivi medici, impianti, beni di lusso e altri settori con requisiti elevati per le prestazioni dei materiali.

Allo stato attuale, oltre ai prezzi elevati delle materie prime, la difficoltà di lavorazione e formatura del titanio e delle leghe di titanio limita notevolmente il loro campo di applicazione.

La lavorabilità del titanio e delle leghe di titanio è scarsa e i metodi di lavorazione tradizionali hanno attrezzature costose e una bassa efficienza di lavorazione, aumentando notevolmente i costi di lavorazione; La struttura delle parti in titanio che possono essere lavorate è molto semplice e, a causa dei limiti dei metodi di lavorazione, la maggior parte di esse non può ottenere soluzioni progettuali in grado di massimizzare le prestazioni del materiale.

In questo contesto, lo stampaggio a iniezione di metalli (MIM), che presenta i vantaggi di un elevato utilizzo di materie prime e un basso costo di produzione in lotti, è diventato un processo di lavorazione ideale 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 distacco, la sinterizzazione e la necessaria post-elaborazione.

Come mostrato nella Figura 1, la polvere metallica e i componenti del legante organico vengono prima miscelati, miscelati e granulati per preparare un materiale da iniezione. Quindi, il materiale di iniezione viene iniettato nello stampo a una certa temperatura e pressione, raffreddato e sformato per ottenere un prodotto verde con una forma specifica. Quindi, attraverso il processo di distacco, tutti i componenti organici ad eccezione della polvere metallica vengono rimossi dal prodotto verde, formando un prodotto verde di distacco. Infine, viene eseguita la sinterizzazione per ottenere le prestazioni desiderate del prodotto.

La tecnologia di stampaggio a iniezione di polvere metallica ha raggiunto una combinazione organica di stampaggio a iniezione e tradizionale tecnologia di metallurgia delle polveri, superando gli svantaggi di costi di lavorazione elevati, forma semplice del processo di stampaggio tradizionale, bassa efficienza produttiva del processo di pressatura isostatica e stampaggio a iniezione, molti difetti nel tradizionale processo di fusione e precisione a bassa tolleranza. Ha notevolmente promosso la produzione e l'applicazione di prodotti in titanio e leghe di titanio (come mostrato nella Figura 2).

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

 

2 Applicazioni del titanio e delle leghe di titanio prodotte da MIM

 

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

La ricerca ha dimostrato che le proprietà meccaniche, la resistenza alla corrosione e le proprietà biomediche dei prodotti stampati a iniezione di titanio e leghe di titanio sono fortemente influenzate da quattro aspetti: densità relativa, contenuto di impurità, elementi di lega e microstruttura.

Dopo che il prodotto per stampaggio ad iniezione è stato sinterizzato, la sua densità relativa è di circa il 95% e ci sarà una certa proporzione di pori residui.

Questi pori residui diventeranno la fonte di crepe quando il campione si rompe e avranno un impatto maggiore 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.

Elementi di impurità come ossigeno, carbonio, azoto, idrogeno, ecc., in particolare l'ossigeno, possono aumentare la resistenza allo snervamento, la resistenza alla trazione e la durezza dei materiali, riducendo la duttilità. Alla temperatura di sinterizzazione, gli elementi di impurità si dissolvono nella matrice in titanio. A causa della mancanza di agenti riducenti efficaci, è difficile controllare gli elementi di impurità nel titanio e nelle leghe di titanio durante il processo di sinterizzazione. Ciò richiede di ridurre al minimo la quantità di ossigeno aggiunto alle materie prime e ogni successiva fase del processo.

La microstruttura del titanio e delle leghe di titanio, compresa la dimensione dei grani e la composizione delle fasi dopo la sinterizzazione, possono influenzare le proprietà meccaniche del materiale. Nel complesso, i materiali in titanio e lega di titanio stampati a iniezione con prestazioni eccellenti hanno alta densità, basso contenuto di impurità (solitamente contenuto di ossigeno), composizione della lega appropriata, granulometria fine durante la densificazione e meno difetti [5].

1.1 Materie prime in polvere

La selezione delle materie prime in polvere è un passo importante nel processo di stampaggio a iniezione di polvere di titanio. La distribuzione delle dimensioni delle particelle e la morfologia della polvere influenzano direttamente la fluidità e la formabilità del composto per stampaggio a iniezione, il mantenimento della forma del corpo verde durante il processo di distacco e la velocità di ritiro durante il processo di sinterizzazione.

I metodi comunemente usati per preparare le polveri di titanio e leghe di titanio includono il metodo meccanico e il metodo di atomizzazione.

La forma della polvere ottenuta con metodi meccanici come la macinazione a sfere, la macinazione a sfere con agitazione, la macinazione a sfere a vibrazione ad alta energia e la polverizzazione del flusso d'aria è generalmente irregolare o angolare.

Il processo di idrogenazione deidrogenazione (HDH) utilizza le ovvie caratteristiche di infragilimento del titanio dopo l'assorbimento di idrogeno. Viene frantumato mediante macinazione meccanica o frantumazione del flusso d'aria e quindi sottoposto a deidrogenazione per ottenere polvere di titanio di forma irregolare, come mostrato nella Figura 3 (a). Il metodo di atomizzazione (come l'atomizzazione del gas inerte, l'atomizzazione dell'elettrodo rotante del raggio di plasma e l'atomizzazione del gas di fusione a induzione dell'elettrodo) può essere eseguita in un'atmosfera completamente inerte, in modo da mantenere l'elevata purezza della polvere grezza. La polvere preparata è di forma sferica e ha una distribuzione granulometrica abbastanza ampia, con buone prestazioni di impilamento, come mostrato nella Figura 3 (b).

Inoltre, a differenza della tecnologia di produzione della polvere d'acciaio, la produzione di polvere di titanio più fine è più difficile. Quando la dimensione delle particelle diminuisce, l'area superficiale specifica aumenta e aumenta anche il contenuto di elementi di impurità.

In genere, MIM utilizza polvere di titanio con una dimensione delle particelle inferiore a 45 μ m. Quando le particelle di polvere sono troppo grandi, il processo di iniezione è soggetto alla separazione del legante in polvere e alla formazione di difetti. È necessario considerare pienamente la progettazione della composizione del materiale di iniezione e la progettazione dello stampo [5].

Fig.3 HDH (a) e polvere di titanio atomizzata con gas (b) utilizzata nel MIM

1.2 Adesivo

Il legante è un vettore che esiste in più fasi durante l'intero processo di stampaggio ad iniezione e la sua funzione principale è quella di riempire uniformemente lo stampo con polvere allo stato fluido, formando la forma desiderata e mantenendola fino alla fase di pre-sinterizzazione.

Nel processo di stampaggio ad iniezione, il legante dovrebbe avere le seguenti caratteristiche: basso punto di fusione, buona bagnabilità alle particelle di polvere e rapida solidificazione, conveniente per la preparazione di materiali da iniezione; Ha una buona fluidità alla temperatura di iniezione; Dopo la formatura, può essere facilmente rimosso dalla billetta, con meno materiale residuo e prodotti di decomposizione atossici e non corrosivi.

In generale, i componenti del legante includono almeno il componente principale e i componenti secondari:

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

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

Secondo i 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 di poliossimetilene e sistemi a base d'acqua.

1.2.1 Legante a base di cera

Le cere comunemente utilizzate per i leganti a base di cera includono diversi polimeri a catena corta come paraffina, cera d'api, cera di palma, ecc. Hanno un basso punto di fusione, buona bagnabilità, catene molecolari corte, bassa viscosità e minori variazioni di volume durante la decomposizione rispetto ad altri polimeri, che è favorevole a garantire l'accuratezza dimensionale del prodotto.

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

Il primo sistema legante a base di cera riportato in letteratura è stato Kaneko et al. [6], che utilizzava paraffina polibutilmetacrilato etilene vinil acetato copolimero dibutilftalato come legante e polvere di titanio per preparare un materiale per iniezione di osservazione. Il carico di polvere era del 56 percento e, dopo il distacco, è stato sinterizzato a 1300 gradi C e 1,3 Pa. Il campione sinterizzato ottenuto aveva una densità relativa del 94 percento e una resistenza alla compressione di 1000 MPa, ma a causa dell'elevato contenuto di impurità, non aveva quasi duttilità.

Katō et al. [7] hanno studiato un processo di distacco in due fasi che combina il distacco sotto vuoto e il distacco in atmosfera di argon, che ha ridotto significativamente il contenuto di carbonio e ossigeno nelle parti sinterizzate.

Guo et al. [8-9] ha utilizzato il polietilenglicole con una migliore bagnabilità per sostituire un po' di paraffina e ha sviluppato un sistema legante di paraffina polietilene polietilene polipropilene acido stearico, che è stato utilizzato nello stampaggio a iniezione di leghe di titanio puro e titanio alluminio vanadio. Le parti sinterizzate presentavano una buona ritenzione della forma e un movimento ondulatorio ridotto. A causa della riduzione del contenuto di ossigeno e carbonio, le prestazioni sono state notevolmente migliorate, con conseguenti buone prestazioni.

Inoltre, i ricercatori hanno utilizzato la cera di palma come sostituto parziale della cera di paraffina [10-13] e l'olio di palma come sostituto completo della cera di paraffina [14] per un sistema legante a base di cera, che ha buoni effetti di formatura. Tuttavia, a causa dell'elemento ossigeno contenuto nella stessa cera di palma, è anche una fonte di potenziamento dell'ossigeno,

Attualmente, il sistema legante ottimale a base di cera riportato in letteratura è stato proposto da Friederici et al. [15]. Durante il processo sperimentale, sono stati formati quattro rapporti di legante regolando le proporzioni di paraffina, polietilene a bassa densità e acido stearico e diversi materiali di iniezione sono stati formati, distaccati e sinterizzati in base a questi rapporti. È stato ottenuto un campione con una densità relativa del 98,1% e una composizione chimica che soddisfa i requisiti del titanio puro secondario.

I sistemi di leganti a base di cera svolgono un ruolo importante nello stampaggio a iniezione, ma a causa della bassa efficienza del distacco del solvente utilizzando solventi organici, i ricercatori hanno continuamente innovato e sviluppato nuovi sistemi di leganti.

1.2.2 Leganti a base di composti aromatici

I composti aromatici (come naftalene, antracene, ecc.) possono dissolversi a temperature molto basse e, in condizioni di bassa pressione, possono essere direttamente trasformati da solidi a gas mediante sublimazione a temperature inferiori al loro punto di fusione. L'utilizzo di composti aromatici come componenti leganti può migliorare notevolmente l'efficienza del processo di distacco.

Weill et al. [16-18] ha utilizzato composti aromatici nello stampaggio a iniezione di polvere metallica di titanio. Nella sua ricerca, sono state preparate leghe dense di titanio alluminio vanadio e leghe porose di titanio alluminio vanadio utilizzando naftalene, una frazione in massa dell'1% di acido stearico e una frazione in massa dal 3% al 12% di copolimero di etilene acetato etilene come leganti.

Durante l'esperimento, a causa della sublimazione diretta del naftalene in gas, durante il processo di distacco non è comparsa alcuna fase liquida e il volume del campione non è cambiato. A differenza dello sgrassaggio con solvente, l'energia superficiale coinvolta nel metodo di sublimazione è relativamente bassa, il che significa che è possibile evitare i comuni difetti di sgrassaggio come deformazioni e screpolature. Alla fine, la densità relativa del campione sinterizzato era del 96,6% e il contenuto di carbonio non aumentava.

Sebbene il sistema adesivo abbia raggiunto eccellenti prestazioni del prodotto, i composti aromatici nel sistema hanno ancora un impatto sull'ambiente e sulla salute fisica e non sono stati ulteriormente studiati o applicati su larga scala.

1.2.3 Legante a base di poliossimetilene

La poliformaldeide è stata utilizzata per la prima volta nel sistema legante da Celanese Corp nel 1984 e successivamente sviluppata da BASF, consentendo ai componenti del legante di non contenere cera o componenti a basso peso molecolare [19].

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

Attualmente, BASF ha formato materiali per stampaggio a iniezione basati su questo sistema legante, coprendo molti materiali come acciaio bassolegato, acciaio inossidabile, acciaio per utensili, titanio e leghe di titanio e ceramica.

La caratteristica significativa della poliformaldeide è la sua sensibilità ai reagenti acidi e la sua suscettibilità alla decomposizione acida. Pertanto, il corpo verde può essere trattato in un'atmosfera acida al di sotto della sua temperatura di rammollimento. Il processo del poliossimetilene è allo stato solido, evitando difetti come crepe ed espansione causati dall'ebollizione dei componenti del legante. Inoltre, la deformazione è piccola, la ritenzione della forma è buona e il controllo delle dimensioni è accurato.

Inoltre, a causa dell'elevato tasso di diffusione, rispetto ad altri metodi di sgrassaggio, il tasso di sgrassaggio è più elevato, raggiungendo 10 volte il tasso del tradizionale distacco con solvente, pur consentendo un distacco più spesso [20].

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

Il processo di distacco catalitico utilizza spesso vapore di acido nitrico altamente corrosivo come catalizzatore. Da un lato, la poliformaldeide può decomporsi durante la preparazione dei materiali per iniezione e le fasi di stampaggio ad iniezione, producendo formaldeide altamente tossica. Inoltre, i prodotti di decomposizione devono essere rimossi attraverso una combustione in due fasi. D'altra parte, l'atmosfera acida che svolge un ruolo catalitico ha una maggiore corrosività per le apparecchiature, richiedendo maggiori investimenti.

1.2.4 Legante a base acqua

I solventi di distacco (come l'eptano e l'esano) oi prodotti di decomposizione dei componenti dell'agente legante (monomeri di composti aromatici e formaldeide) utilizzati nei suddetti diversi sistemi di agenti leganti sono più o meno dannosi per l'ambiente e per gli operatori. Pertanto, lo sviluppo e l'utilizzo di sistemi di agenti leganti a solvente rispettosi dell'ambiente è di grande importanza.

Il sistema di legante ecologico esistente utilizza l'acqua come solvente per il distacco.

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

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

Sidambe et al. [21] hanno utilizzato un componente legante idrosolubile di polietilenglicole polimetilmetacrilato acido stearico per studiare a un tasso di caricamento della polvere del 69%.

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 gas argon a 44 0 gradi C. Il contenuto finale di ossigeno (frazione di massa) del campione preparato è dello 0,2 percento, con corrispondente resistenza alla trazione di 850-880 MPa e allungamento dell'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 amido, ecc.

Tokura et al. [22] hanno utilizzato l'agar per sostituire i leganti polimerici nello stampaggio a iniezione di polvere di titanio e hanno studiato la stabilità termica, la solubilità e la viscosità del materiale di iniezione di questo sistema legante.

Suzuki [24] et al. ha preparato campioni al 97,3 percento con densità relativa utilizzando un legante agar (peso molecolare 82 500) contenente una frazione di massa del 4 percento. Le frazioni di massa di carbonio e ossigeno dei campioni sono 0,33 percento e 0,3 percento, rispettivamente. La resistenza allo snervamento è di 539 MPa e l'allungamento è di circa il 10%. 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 a iniezione, debonding e sinterizzazione

I parametri del processo di stampaggio a iniezione sono determinati dalle prestazioni del materiale di iniezione e dalla forma geometrica del prodotto target.

Come accennato in precedenza, la dimensione delle particelle della polvere di titanio è generalmente grossolana, il che è soggetto alla separazione del legante in polvere rispetto allo stampaggio a iniezione di materiale in acciaio inossidabile. Prima dello stampaggio a iniezione, è necessario sviluppare parametri di processo di formatura appropriati in base alle proprietà reologiche del materiale di iniezione per ridurre i difetti nella billetta formata.

Wang et al. [25] hanno preparato materiali per stampaggio a iniezione utilizzando la lega Ti-6Al-4V combinata con un sistema legante a base di cera in polvere, e hanno testato e analizzato le proprietà reologiche dei materiali per iniezione sotto diverse quantità e temperature di caricamento della polvere, fornire una base per lo sviluppo di parametri di formatura appropriati per il processo di stampaggio a iniezione.

Parco et al. materiali di iniezione preparati utilizzando polvere di titanio aerosol, polvere di titanio HDH e polvere di titanio HDH sferoidizzata e ne hanno misurato le proprietà reologiche e il comportamento di distacco. Hanno proposto un indice di formabilità per il materiale da iniezione e ne hanno valutato le prestazioni in base a questo. I risultati dell'analisi hanno fornito una base teorica per l'uso simultaneo di polvere HDH e polvere aerosol nel sistema del materiale di iniezione.

Barriere et al. [27] ha esplorato i parametri di processo ottimali per la produzione di parti stampate a iniezione di metallo senza difetti e con le proprietà meccaniche richieste sulla base di processi di simulazione sperimentale e numerica. Sulla base di tecniche di modellazione, sono stati utilizzati un'equazione di flusso a due fasi e un algoritmo esplicito di nuova concezione per prevedere i fenomeni di separazione del materiale durante il processo di iniezione utilizzando la simulazione numerica.

Chen et al. [28] hanno utilizzato una prelega in polvere Ti-6Al-4V deidrogenata idrogenata e un sistema legante solubile in acqua per preparare un materiale di iniezione di osservazione, quindi hanno misurato il tasso di rimozione del polietilenglicole componente legante solubile in acqua in campioni di diverso spessore a diverse temperature. È stato stabilito un modello matematico di distacco controllato dalla diffusione per determinare il meccanismo di distacco del sistema legante.

Sidambe [29] e altri hanno utilizzato i metodi Taguchi per determinare la combinazione ottimale di temperatura di sinterizzazione, tempo, velocità di riscaldamento, atmosfera e altri parametri.

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

Obassi et al. [31] hanno preparato campioni di Ti-6Al-4V con proprietà che soddisfano i requisiti della lega di titanio ASTM B{348-02 grado 23 e hanno studiato gli effetti dei cambiamenti nei sistemi di parametri di processo di base sulla temperatura processi di sgrassaggio e sinterizzazione di componenti MIM in polvere Ti-6Al-4V.

Limberg et al. [32] ha preparato Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C utilizzando una miscela di polveri elementari durante il processo di stampaggio a iniezione e ha studiato gli effetti del tempo di sinterizzazione e atmosfera sulle proprietà tensili e sulla microstruttura. È stato ottenuto un campione con una resistenza alla trazione di circa 630 MPa.

Guo et al. [8-9] ha preparato materiali in titanio puro e Ti-6Al-4V utilizzando la tecnologia di stampaggio a iniezione e ha studiato gli effetti dei processi di trattamento termico come la pressatura isostatica a caldo e la ricottura sulle proprietà del materiale in lega. L'effetto del trattamento termico è stato caratterizzato qualitativamente e quantitativamente attraverso test di microstruttura e proprietà meccaniche e la sua microstruttura è mostrata nella Figura 4.

Un materiale di iniezione di osservazione viene preparato miscelando polvere di titanio atomizzato, polvere di titanio deidrogenato idrogenato e sistema legante a base di cera. Dopo lo stampaggio ad iniezione, il distacco del solvente viene effettuato in una miscela di eptano ed etanolo. Il legante viene completamente rimosso dopo il riscaldamento a 350, 420 e 600 gradi C a una certa velocità di riscaldamento e la temperatura di sinterizzazione è di 1230 gradi C per 3 ore. Infine, le proprietà di trazione del campione sinterizzato erano 389-419 MPa e l'allungamento era 2-4 percento.

I membri del nostro gruppo di ricerca [33] hanno preparato campioni di titanio puro utilizzando un sistema di polvere di titanio aerosol e legante idrosolubile e 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 un grado di vuoto di 10-4-10-3 Pa, con una temperatura di sinterizzazione di 1350 gradi C e un allungamento del 20,3 percento ottenuto dopo 3 ore di mantenimento. I campioni soddisfano pienamente le migliori prestazioni di metallurgia delle polveri di ASTM F2989-13, con una densità relativa del 96,9 percento e una resistenza alla trazione di 443 MPa, Biomedical Grade II Pure Titanium Standard.

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

2 nuovi materiali per stampaggio ad iniezione in titanio e lega di titanio

Il titanio e le leghe di titanio sono attualmente ampiamente utilizzate in ortopedia, apparecchiature dentali e impianti medici. Tuttavia, a causa della differenza nelle proprietà meccaniche tra il titanio e l'osso umano (con un modulo elastico di circa 20 GPa), all'interfaccia osso/impianto si generano effetti di stress shielding, che possono compromettere notevolmente gli esiti clinici a lungo termine, come mostrato in Figura 5.

Pertanto, i ricercatori hanno regolato le proprietà meccaniche dei materiali in titanio modificandone la struttura e la composizione della lega, rendendoli più vicini alla struttura e alle prestazioni delle ossa naturali del corpo umano.

5 Confronto del modulo di elasticità delle leghe di titanio biomedicale

2.1 Materiali porosi in titanio e compositi ceramici in titanio

I materiali in titanio poroso e i nuovi materiali del sistema in lega di titanio hanno una struttura dei pori e proprietà meccaniche adeguate, che li rendono materiali ideali per gli impianti sostitutivi ortopedici.

Da un lato, può ridurre efficacemente il disallineamento dello stress tra l'impianto e il tessuto osseo, riducendo così l'effetto di schermatura dello stress e ottenendo la funzione duratura ed efficace dell'impianto; D'altra parte, la struttura porosa è una condizione necessaria affinché le cellule ossee crescano nel corpo dell'impianto e la struttura porosa interconnessa può consentire il passaggio di una grande quantità di fluido corporeo, promuovendo ulteriormente la crescita delle cellule ossee.

Gu et al. ha formato un nuovo tipo di lega TC4 con una struttura a poro aperto aggiungendo TiH2 come agente schiumogeno e attivatore alla polvere di elementi in titanio alluminio vanadio, con distribuzione uniforme della dimensione dei pori e dimensione dei pori compresa tra 90 e 190 μ m. La porosità è di circa il 43% ~ 59% e il modulo elastico varia da 5,8 a 9,5 GPa. Motore et al. [35] hanno preparato leghe di titanio multi microporose utilizzando la tecnologia dello stampaggio a iniezione di polvere (PIM) combinata con la tecnologia dell'agente di formazione dei pori e hanno studiato l'effetto della quantità di agente di formazione dei pori polimetilmetacrilato sulla densità, resistenza alla compressione e modulo elastico della lega.

Tuncer et al. [36] hanno utilizzato un sistema di polvere sferica atomizzata, polvere di titanio HDH e legante a base di cera per studiare l'effetto della polvere iniziale sulle prestazioni del prodotto di titanio poroso finale aggiungendo una certa quantità di NaCl e KCl come agenti formanti pori. Inoltre, regolando la quantità di agenti formanti pori, è stato ottenuto un materiale di titanio poroso con la porosità e la dimensione dei pori richieste per gli impianti medici e la composizione chimica del materiale potrebbe soddisfare lo standard di titanio puro di terzo grado.

Chen et al. [37] hanno utilizzato NaCl come agente di formazione di pori e materiale per iniezione a base di cera in polvere di titanio deidrogenato idrogenato per preparare campioni stampati a iniezione. I campioni ottenuti avevano una porosità del 42,4% ~ 71,6% e una dimensione dei pori di 300 μm. Come mostrato nella Figura 6. Regolando la quantità di NaCl utilizzata, è possibile formare pori interconnessi all'interno della parte di iniezione e le loro proprietà meccaniche sono simili a quelle dell'osso spongioso.

Barbona et al. [38] hanno utilizzato per la prima volta la polvere di Fe22Cr per testare le proprietà reologiche dei materiali di iniezione con diversi sistemi leganti. Sulla base dei risultati del test di prestazione, è stato selezionato un sistema legante a base di cera appropriato. Quindi, la polvere di Ti e l'agente di formazione dei pori NaCl sono stati combinati per la pressatura a caldo e lo stampaggio a iniezione multicomponente. Dopo lo sgrassaggio e la sinterizzazione, è stato preparato un componente implantare della colonna vertebrale con un nucleo denso e un gradiente di porosità esterna.

6 Componente per stampaggio a iniezione di titanio poroso che utilizza NaCl come distanziatore

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, a causa della sua elevata fragilità e delle scarse proprietà meccaniche, l'HA non può essere utilizzato da solo come componente portante, determinando l'emergere di un nuovo tipo di materiale biomedico composto da HA e materiali in titanio.

Thian et al. [39-42] ha studiato la preparazione dei materiali compositi Ti6Al4V/HA utilizzando il metodo dello stampaggio a iniezione. In primo luogo, la polvere composita Ti6Al4V/HA è stata preparata utilizzando il metodo dell'impasto ceramico. Quindi, la polvere preparata è stata miscelata con il legante commerciale PAN-250S per preparare un materiale per iniezione di commento. Sono state testate le proprietà reologiche del materiale di iniezione e sono stati studiati gli effetti della velocità di riscaldamento e della portata del gas dell'atmosfera di distacco sui difetti di distacco, sulla quantità di rimozione del legante e sul contenuto di carbonio residuo durante il processo di distacco; L'effetto dei parametri del processo di sinterizzazione (velocità di riscaldamento, temperatura di sinterizzazione, tempo di mantenimento, velocità di raffreddamento, ecc.) sulle prestazioni del campione finale, con conseguente porosità di circa il 50% del campione; Inoltre, il processo di degradazione biologica del materiale Ti6Al4V/HA preparato nell'ambiente del fluido corporeo è stato analizzato e caratterizzato attraverso i risultati dei test delle proprietà meccaniche.

2.2 Nuovi materiali in lega di titanio

Il campo biomedico, in quanto importante ramo dell'applicazione del materiale in titanio, la sua direzione della domanda applicativa influisce direttamente sulla tendenza allo sviluppo dei materiali in titanio.

I primi materiali in titanio utilizzavano titanio puro （ Composto principalmente da fasi, ma i materiali in titanio puro hanno una resistenza inferiore e una scarsa resistenza all'usura, portando allo sviluppo di materiali ad alta resistenza e tenacità rappresentati da Ti6Al4V, Ti6Al7Nb e Ti5Al2.5Fe plus Lega di tipo A .

Austin et al. [43] hanno prodotto con successo materiali per viti ossee con prestazioni eccellenti utilizzando polvere di Ti6Al7Nb e un sistema legante a base di cera (paraffina più PE più acido stearico), come mostrato nella Figura 7. Il materiale ha una densità relativa del 97,6%, resistenza alla trazione di 815 MPa , resistenza allo snervamento di 714 MPa e allungamento dell'8,7%.

I risultati della ricerca hanno dimostrato che elementi di lega come Al e V nelle leghe di titanio alluminio vanadio ampiamente utilizzate e le leghe di titanio alluminio niobio rilasciano ioni Al e V citotossici dopo che gli impianti sono entrati nel corpo umano, causando danni al corpo umano.

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

Le leghe di titanio biologico attualmente sviluppate e ricercate includono principalmente Ti-15Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-35Nb-7Zr-5Ta , Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr e Ti{{15} }Nb-13Ta-4.6Zr [44]. A causa di varie limitazioni come la tecnologia di produzione delle polveri, questi sistemi di leghe non sono ampiamente utilizzati nei processi di stampaggio a iniezione di polveri.

Zhai et al. [45] hanno utilizzato polvere di titanio e polvere di niobio per esperimenti di stampaggio a iniezione per preparare con successo leghe a doppia fase TiNb con una densità relativa di circa il 95%. Testando le proprietà meccaniche di billette verdi, parti di debonding e parti sinterizzate, nonché osservando e confrontando la microstruttura delle parti sinterizzate con diversi contenuti di composizione della lega, è stato studiato l'effetto del contenuto di Nb sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche della lega.

Arokiasamy et al. [46] hanno preparato una 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 dei pori residui e l'effetto del TiC sulle proprietà del materiale in lega.

 

Fig.7Ti6Al7Nb 骨钉Ti6Al7Nb vite ossea preparata da MIM

3 prospettiva

Il basso peso specifico, l'elevata resistenza specifica, l'eccellente biocompatibilità, la resistenza all'ossidazione e la buona resistenza alla corrosione del titanio e delle leghe di titanio hanno un grande potenziale di sviluppo in applicazioni quali aerospaziale, medico, chimico, automobilistico e beni di consumo quotidiani.

Rispetto alle tecniche di lavorazione tradizionali come la forgiatura, la fusione e la lavorazione meccanica, la tecnologia di stampaggio a iniezione di polveri presenta evidenti vantaggi, come la composizione uniforme della lega, l'elevato tasso di utilizzo delle materie prime e una forte capacità produttiva per grandi quantità di parti di forma complessa, che possono promuovere notevolmente la produzione e l'applicazione di prodotti in titanio e leghe di titanio.

Sebbene siano stati compiuti alcuni progressi nella ricerca dello stampaggio a iniezione di titanio e leghe di titanio, una serie di problemi devono ancora essere risolti nell'attuale processo di produzione industriale, come il prezzo elevato delle materie prime in polvere di alta qualità, la conversione e l'applicazione insufficienti di nuovi sistemi in lega di titanio di alta qualità allo stampaggio ad iniezione e difficoltà nel controllare la composizione chimica del prodotto.

Inoltre, con il rapido sviluppo della tecnologia dei microsistemi negli ultimi anni, la domanda di componenti microcomplessi applicati nei microsistemi continua ad aumentare. Lo stampaggio a iniezione di polvere deve passare dai tipi di prodotto tradizionali ai microprodotti e svilupparsi nella tecnologia di stampaggio a microiniezione di polvere.

Allo stato attuale, la tecnologia di micro stampaggio ad iniezione è principalmente focalizzata su sistemi di materiali come polimeri e acciaio inossidabile, e ci sono ancora molti problemi che devono essere studiati nel micro stampaggio ad iniezione di titanio e leghe di titanio.

Pertanto, lo sviluppo della ricerca sullo stampaggio a iniezione di leghe di titanio e titanio dovrebbe concentrarsi sulla ricerca e lo sviluppo di nuovi sistemi di leghe di titanio, lo sviluppo di una tecnologia di preparazione della polvere di lega di titanio a basso costo e di alta qualità e lo studio del micro stampaggio a iniezione di materiale in titanio adatto per dispositivi micro complessi.

Con l'approfondimento della ricerca sulla tecnologia di stampaggio a iniezione di titanio e lega di titanio, si ritiene che la tecnologia di stampaggio a iniezione di titanio e lega di titanio farà progressi significativi, promuovendo così il rapido sviluppo dell'industria del titanio.